There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

COVID-19, which is caused by SARS-CoV-2, can result in acute respiratory distress syndrome and multiple organ failure1–4, but little is known about its pathophysiology. Here we generated single-cell atlases of 24 lung, 16 kidney, 16 liver and 19 heart autopsy tissue samples and spatial atlases of 14 lung samples from donors who died of COVID-19. Integrated computational analysis uncovered substantial remodelling in the lung epithelial, immune and stromal compartments, with evidence of multiple paths of failed tissue regeneration, including defective alveolar type 2 differentiation and expansion of fibroblasts and putative TP63+ intrapulmonary basal-like progenitor cells. Viral RNAs were enriched in mononuclear phagocytic and endothelial lung cells, which induced specific host programs. Spatial analysis in lung distinguished inflammatory host responses in lung regions with and without viral RNA. Analysis of the other tissue atlases showed transcriptional alterations in multiple cell types in heart tissue from donors with COVID-19, and mapped cell types and genes implicated with disease severity based on COVID-19 genome-wide association studies. Our foundational dataset elucidates the biological effect of severe SARS-CoV-2 infection across the body, a key step towards new treatments. Single-cell analysis of lung, heart, kidney and liver autopsy samples shows the molecular and cellular changes and immune response resulting from severe COVID-19 infection.

Lineage tracing provides key insights into the fate of individual cells in complex organisms. Although effective genetic labeling approaches are available in model systems, in humans, most approaches require detection of nuclear somatic mutations, which have high error rates, limited scale, and do not capture cell state information. Here, we show that somatic mutations in mtDNA can be tracked by single-cell RNA or assay for transposase accessible chromatin (ATAC) sequencing. We leverage somatic mtDNA mutations as natural genetic barcodes and demonstrate their utility as highly accurate clonal markers to infer cellular relationships. We track native human cells both in vitro and in vivo and relate clonal dynamics to gene expression and chromatin accessibility. Our approach should allow clonal tracking at a 1,000-fold greater scale than with nuclear genome sequencing, with simultaneous information on cell state, opening the way to chart cellular dynamics in human health and disease.

Targeted delivery of therapeutics to tumor neovasculature is potentially a powerful approach for selective cancer treatment. Integrins are heterodimeric transmembrane proteins involved in cell adhesion and cell signaling, and their expression is commonly upregulated in cancers and inflammatory diseases. The αvβ3 integrin is differentially upregulated on angiogenic endothelial cells as well as on many cancer cells. Here we demonstrate the differential targeting of cisplatin prodrug-encapsulated poly(d,l-lactic-co-glycolic acid)-block-polyethylene glycol (PLGA-PEG) nanoparticles (NPs) to the αvβ3 integrin on cancer cells using the cyclic pentapeptide c(RGDfK). Cisplatin is one of the most widely used anticancer drugs, and approaches that can improve its therapeutic index are of broad importance. The RGD-targeted Pt(IV)-encapsulated NPs displayed enhanced cytotoxicity as compared to cisplatin administered in its conventional dosage form in model prostate and breast cancer epithelial cells in vitro. Cytotoxicities were also elevated in comparison to those of previously reported systems, a small molecule Pt(IV)-RGD conjugate and a Pt(IV) nanoscale coordination polymer carrying RGD moieties. This result encouraged us also to evaluate the anticancer effect of the new construct in an animal model. The RGD-targeted PLGA-PEG NPs were more efficacious and better tolerated by comparison to cisplatin in an orthotopic human breast cancer xenograft model in vivo.

Abstract Cells experience intrinsic and extrinsic pressures that affect their proclivity to expand and persist in vivo . In congenital disorders caused by loss-of-function mutations in mitochondrial DNA (mtDNA), metabolic vulnerabilities may result in cell-type specific phenotypes and depletion of pathogenic alleles, contributing to purifying selection. However, the impact of pathogenic mtDNA mutations on the cellular hematopoietic landscape is not well understood. Here, we establish a multi-omics approach to quantify deletions in mtDNA alongside cell state features in single cells derived from Pearson syndrome patients. We resolve the interdependence between pathogenic mtDNA and lineage, including purifying selection against deletions in effector/memory CD8 T-cell populations and recent thymic emigrants and dynamics in other hematopoietic populations. Our mapping of lineage-specific purifying selection dynamics in primary cells from patients carrying pathogenic heteroplasmy provides a new perspective on recurrent clinical phenotypes in mitochondrial disorders, including cancer and infection, with potential broader relevance to age-related immune dysfunction.

The human airway contains specialized rare epithelial cells whose roles in respiratory disease are not well understood. Ionocytes express the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR), while chemosensory tuft cells express asthma-associated alarmins. However, surprisingly, exceedingly few mature tuft cells have been identified in human lung cell atlases despite the ready identification of rare ionocytes and neuroendocrine cells. To identify human rare cell progenitors and define their lineage relationship to mature tuft cells, we generated a deep lung cell atlas containing 311,748 single cell RNA-Seq (scRNA-seq) profiles from discrete anatomic sites along the large and small airways and lung lobes of explanted donor lungs that could not be used for organ transplantation. Of 154,222 airway epithelial cells, we identified 687 ionocytes (0.45%) that are present in similar proportions in both large and small airways, suggesting that they may contribute to both large and small airways pathologies in CF. In stark contrast, we recovered only 3 mature tuft cells (0.002%). Instead, we identified rare bipotent progenitor cells that can give rise to both ionocytes and tuft cells, which we termed tuft-ionocyte progenitor cells (TIP cells). Remarkably, the cycling fraction of these TIP cells was comparable to that of basal stem cells. We used scRNA-seq and scATAC-seq to predict transcription factors that mark this novel rare cell progenitor population and define intermediate states during TIP cell lineage transitions en route to the differentiation of mature ionocytes and tuft cells. The default lineage of TIP cell descendants is skewed towards ionocytes, explaining the paucity of mature tuft cells in the human airway. However, Type 2 and Type 17 cytokines, associated with asthma and CF, diverted the lineage of TIP cell descendants in vitro , resulting in the differentiation of mature tuft cells at the expense of ionocytes. Consistent with this model of mature tuft cell differentiation, we identify mature tuft cells in a patient who died from an asthma flare. Overall, our findings suggest that the immune signaling pathways active in asthma and CF may skew the composition of disease-relevant rare cells and illustrate how deep atlases are required for identifying physiologically-relevant scarce cell populations.

The SARS-CoV-2 pandemic has caused over 1 million deaths globally, mostly due to acute lung injury and acute respiratory distress syndrome, or direct complications resulting in multiple-organ failures. Little is known about the host tissue immune and cellular responses associated with COVID-19 infection, symptoms, and lethality. To address this, we collected tissues from 11 organs during the clinical autopsy of 17 individuals who succumbed to COVID-19, resulting in a tissue bank of approximately 420 specimens. We generated comprehensive cellular maps capturing COVID-19 biology related to patients' demise through single-cell and single-nucleus RNA-Seq of lung, kidney, liver and heart tissues, and further contextualized our findings through spatial RNA profiling of distinct lung regions. We developed a computational framework that incorporates removal of ambient RNA and automated cell type annotation to facilitate comparison with other healthy and diseased tissue atlases. In the lung, we uncovered significantly altered transcriptional programs within the epithelial, immune, and stromal compartments and cell intrinsic changes in multiple cell types relative to lung tissue from healthy controls. We observed evidence of: alveolar type 2 (AT2) differentiation replacing depleted alveolar type 1 (AT1) lung epithelial cells, as previously seen in fibrosis; a concomitant increase in myofibroblasts reflective of defective tissue repair; and, putative TP63 + intrapulmonary basal-like progenitor (IPBLP) cells, similar to cells identified in H1N1 influenza, that may serve as an emergency cellular reserve for severely damaged alveoli. Together, these findings suggest the activation and failure of multiple avenues for regeneration of the epithelium in these terminal lungs. SARS-CoV-2 RNA reads were enriched in lung mononuclear phagocytic cells and endothelial cells, and these cells expressed distinct host response transcriptional programs. We corroborated the compositional and transcriptional changes in lung tissue through spatial analysis of RNA profiles in situ and distinguished unique tissue host responses between regions with and without viral RNA, and in COVID-19 donor tissues relative to healthy lung. Finally, we analyzed genetic regions implicated in COVID-19 GWAS with transcriptomic data to implicate specific cell types and genes associated with disease severity. Overall, our COVID-19 cell atlas is a foundational dataset to better understand the biological impact of SARS-CoV-2 infection across the human body and empowers the identification of new therapeutic interventions and prevention strategies.

The COVID-19 pandemic, caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2, creates an urgent need for identifying molecular mechanisms that mediate viral entry, propagation, and tissue pathology. Cell membrane bound angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and associated proteases, transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2) and Cathepsin L (CTSL), were previously identified as mediators of SARS-CoV2 cellular entry. Here, we assess the cell type-specific RNA expression of ACE2, TMPRSS2, and CTSL through an integrated analysis of 107 single-cell and single-nucleus RNA-Seq studies, including 22 lung and airways datasets (16 unpublished), and 85 datasets from other diverse organs. Joint expression of ACE2 and the accessory proteases identifies specific subsets of respiratory epithelial cells as putative targets of viral infection in the nasal passages, airways, and alveoli. Cells that co-express ACE2 and proteases are also identified in cells from other organs, some of which have been associated with COVID-19 transmission or pathology, including gut enterocytes, corneal epithelial cells, cardiomyocytes, heart pericytes, olfactory sustentacular cells, and renal epithelial cells. Performing the first meta-analyses of scRNA-seq studies, we analyzed 1,176,683 cells from 282 nasal, airway, and lung parenchyma samples from 164 donors spanning fetal, childhood, adult, and elderly age groups, associate increased levels of ACE2, TMPRSS2, and CTSL in specific cell types with increasing age, male gender, and smoking, all of which are epidemiologically linked to COVID-19 susceptibility and outcomes. Notably, there was a particularly low expression of ACE2 in the few young pediatric samples in the analysis. Further analysis reveals a gene expression program shared by ACE2+TMPRSS2+ cells in nasal, lung and gut tissues, including genes that may mediate viral entry, subtend key immune functions, and mediate epithelial-macrophage cross-talk. Amongst these are IL6, its receptor and co-receptor, IL1R, TNF response pathways, and complement genes. Cell type specificity in the lung and airways and smoking effects were conserved in mice. Our analyses suggest that differences in the cell type-specific expression of mediators of SARS-CoV-2 viral entry may be responsible for aspects of COVID-19 epidemiology and clinical course, and point to putative molecular pathways involved in disease susceptibility and pathogenesis.### Competing Interest StatementN.K. was a consultant to Biogen Idec, Boehringer Ingelheim, Third Rock, Pliant, Samumed, NuMedii, Indaloo, Theravance, LifeMax, Three Lake Partners, Optikira and received non-financial support from MiRagen. All of these outside the work reported. J.L. is a scientific consultant for 10X Genomics Inc A.R. is a co-founder and equity holder of Celsius Therapeutics, an equity holder in Immunitas, and an SAB member of ThermoFisher Scientific, Syros Pharmaceuticals, Asimov, and Neogene Therapeutics O.R.R., is a co-inventor on patent applications filed by the Broad Institute to inventions relating to single cell genomics applications, such as in PCT/US2018/060860 and US Provisional Application No. 62/745,259. A.K.S. compensation for consulting and SAB membership from Honeycomb Biotechnologies, Cellarity, Cogen Therapeutics, Orche Bio, and Dahlia Biosciences. S.A.T. was a consultant at Genentech, Biogen and Roche in the last three years. F.J.T. reports receiving consulting fees from Roche Diagnostics GmbH, and ownership interest in Cellarity Inc. L.V. is funder of Definigen and Bilitech two biotech companies using hPSCs and organoid for disease modelling and cell based therapy.