The airways of the lung are the primary sites of disease in asthma and cystic fibrosis. Here we study the cellular composition and hierarchy of the mouse tracheal epithelium by single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) and in vivo lineage tracing. We identify a rare cell type, the Foxi1+ pulmonary ionocyte; functional variations in club cells based on their location; a distinct cell type in high turnover squamous epithelial structures that we term ‘hillocks’; and disease-relevant subsets of tuft and goblet cells. We developed ‘pulse-seq’, combining scRNA-seq and lineage tracing, to show that tuft, neuroendocrine and ionocyte cells are continually and directly replenished by basal progenitor cells. Ionocytes are the major source of transcripts of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator in both mouse (Cftr) and human (CFTR). Knockout of Foxi1 in mouse ionocytes causes loss of Cftr expression and disrupts airway fluid and mucus physiology, phenotypes that are characteristic of cystic fibrosis. By associating cell-type-specific expression programs with key disease genes, we establish a new cellular narrative for airways disease. Single-cell RNA sequencing analysis identifies cell types and lineages in airway epithelium, including the pulmonary ionocyte, a new cell type predominantly expressing the cystic fibrosis gene CFTR.

Nuclear pore complexes play central roles as gatekeepers of RNA and protein transport between the cytoplasm and nucleoplasm. However, their large size and dynamic nature have impeded a full structural and functional elucidation. Here we determined the structure of the entire 552-protein nuclear pore complex of the yeast Saccharomyces cerevisiae at sub-nanometre precision by satisfying a wide range of data relating to the molecular arrangement of its constituents. The nuclear pore complex incorporates sturdy diagonal columns and connector cables attached to these columns, imbuing the structure with strength and flexibility. These cables also tie together all other elements of the nuclear pore complex, including membrane-interacting regions, outer rings and RNA-processing platforms. Inwardly directed anchors create a high density of transport factor-docking Phe-Gly repeats in the central channel, organized into distinct functional units. This integrative structure enables us to rationalize the architecture, transport mechanism and evolutionary origins of the nuclear pore complex.

Adult stem cells play a crucial role in tissue homeostasis and repair through multiple mechanisms. In addition to being able to replace aged or damaged cells, stem cells provide signals that contribute to the maintenance and function of neighboring cells. In the lung, airway basal stem cells also produce cytokines and chemokines in response to inhaled irritants, allergens, and pathogens, which affect specific immune cell populations and shape the nature of the immune response. However, direct cell-to-cell signaling through contact between airway basal stem cells and immune cells has not been demonstrated. Recently, a unique population of intraepithelial airway macrophages (IAMs) has been identified in the murine trachea. Here, we demonstrate that IAMs require Notch signaling from airway basal stem cells for maintenance of their differentiated state and function. Furthermore, we demonstrate that Notch signaling between airway basal stem cells and IAMs is required for antigen-induced allergic inflammation only in the trachea where the basal stem cells are located whereas allergic responses in distal lung tissues are preserved consistent with a local circuit linking stem cells to proximate immune cells. Finally, we demonstrate that IAM-like cells are present in human conducting airways and that these cells display Notch activation, mirroring their murine counterparts. Since diverse lung stem cells have recently been identified and localized to specific anatomic niches along the proximodistal axis of the respiratory tree, we hypothesize that the direct functional coupling of local stem cell-mediated regeneration and immune responses permits a compartmentalized inflammatory response.