The colonic epithelium facilitates host-microorganism interactions to control mucosal immunity, coordinate nutrient recycling and form a mucus barrier. Breakdown of the epithelial barrier underpins inflammatory bowel disease (IBD). However, the specific contributions of each epithelial-cell subtype to this process are unknown. Here we profile single colonic epithelial cells from patients with IBD and unaffected controls. We identify previously unknown cellular subtypes, including gradients of progenitor cells, colonocytes and goblet cells within intestinal crypts. At the top of the crypts, we find a previously unknown absorptive cell, expressing the proton channel OTOP2 and the satiety peptide uroguanylin, that senses pH and is dysregulated in inflammation and cancer. In IBD, we observe a positional remodelling of goblet cells that coincides with downregulation of WFDC2-an antiprotease molecule that we find to be expressed by goblet cells and that inhibits bacterial growth. In vivo, WFDC2 preserves the integrity of tight junctions between epithelial cells and prevents invasion by commensal bacteria and mucosal inflammation. We delineate markers and transcriptional states, identify a colonic epithelial cell and uncover fundamental determinants of barrier breakdown in IBD.

Intestinal mesenchymal cells play essential roles in epithelial homeostasis, matrix remodeling, immunity, and inflammation. But the extent of heterogeneity within the colonic mesenchyme in these processes remains unknown. Using unbiased single-cell profiling of over 16,500 colonic mesenchymal cells, we reveal four subsets of fibroblasts expressing divergent transcriptional regulators and functional pathways, in addition to pericytes and myofibroblasts. We identified a niche population located in proximity to epithelial crypts expressing SOX6, F3 (CD142), and WNT genes essential for colonic epithelial stem cell function. In colitis, we observed dysregulation of this niche and emergence of an activated mesenchymal population. This subset expressed TNF superfamily member 14 (TNFSF14), fibroblastic reticular cell-associated genes, IL-33, and Lysyl oxidases. Further, it induced factors that impaired epithelial proliferation and maturation and contributed to oxidative stress and disease severity in vivo. Our work defines how the colonic mesenchyme remodels to fuel inflammation and barrier dysfunction in IBD.

Development of the human intestine is not well understood. Here, we link single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to characterize intestinal morphogenesis through time. We identify 101 cell states including epithelial and mesenchymal progenitor populations and programs linked to key morphogenetic milestones. We describe principles of crypt-villus axis formation; neural, vascular, mesenchymal morphogenesis, and immune population of the developing gut. We identify the differentiation hierarchies of developing fibroblast and myofibroblast subtypes and describe diverse functions for these including as vascular niche cells. We pinpoint the origins of Peyer’s patches and gut-associated lymphoid tissue (GALT) and describe location-specific immune programs. We use our resource to present an unbiased analysis of morphogen gradients that direct sequential waves of cellular differentiation and define cells and locations linked to rare developmental intestinal disorders. We compile a publicly available online resource, spatio-temporal analysis resource of fetal intestinal development (STAR-FINDer), to facilitate further work.