Abstract Understanding the function of genes and their regulation in tissue homeostasis and disease requires knowing the cellular context in which genes are expressed in tissues across the body. Single cell genomics allows the generation of detailed cellular atlases in human tissues, but most efforts are focused on single tissue types. Here, we establish a framework for profiling multiple tissues across the human body at single-cell resolution using single nucleus RNA-Seq (snRNA-seq), and apply it to 8 diverse, archived, frozen tissue types (three donors per tissue). We apply four snRNA-seq methods to each of 25 samples from 16 donors, generating a cross-tissue atlas of 209,126 nuclei profiles, and benchmark them vs . scRNA-seq of comparable fresh tissues. We use a conditional variational autoencoder (cVAE) to integrate an atlas across tissues, donors, and laboratory methods. We highlight shared and tissue-specific features of tissue-resident immune cells, identifying tissue-restricted and non-restricted resident myeloid populations. These include a cross-tissue conserved dichotomy between LYVE1- and HLA class II-expressing macrophages, and the broad presence of LAM-like macrophages across healthy tissues that is also observed in disease. For rare, monogenic muscle diseases, we identify cell types that likely underlie the neuromuscular, metabolic, and immune components of these diseases, and biological processes involved in their pathology. For common complex diseases and traits analyzed by GWAS, we identify the cell types and gene modules that potentially underlie disease mechanisms. The experimental and analytical frameworks we describe will enable the generation of large-scale studies of how cellular and molecular processes vary across individuals and populations.

Abstract Mouse models are a tool for studying the mechanisms underlying complex diseases; however, differences between species pose a significant challenge for translating findings to patients. Here, we used single-cell transcriptomics and orthogonal validation approaches to provide cross-species taxonomies, identifying shared broad cell classes and unique granular cellular states, between mouse and human kidney. We generated cell atlases of the diabetic and obese kidney using two different mouse models, a high-fat diet (HFD) model and a genetic model (BTBR ob/ob ), at multiple time points along disease progression. Importantly, we identified a previously unrecognized, expanding Trem2 high macrophage population in kidneys of HFD mice that matched human TREM2 high macrophages in obese patients. Taken together, our cross-species comparison highlights shared immune and metabolic cell-state changes.

Drug repurposing is the only method capable of delivering treatments on the shortened time-scale required for patients afflicted with lung disease arising from SARS-CoV-2 infection. Mucin-1 (MUC1), a membrane-bound molecule expressed on the apical surfaces of most mucosal epithelial cells, is a biochemical marker whose elevated levels predict the development of acute lung injury (ALI) and respiratory distress syndrome (ARDS), and correlate with poor clinical outcomes. In response to the pandemic spread of SARS-CoV-2, we took advantage of a high content screen of 3,713 compounds at different stages of clinical development to identify FDA-approved compounds that reduce MUC1 protein abundance. Our screen identified Fostamatinib (R788), an inhibitor of spleen tyrosine kinase (SYK) approved for the treatment of chronic immune thrombocytopenia, as a repurposing candidate for the treatment of ALI. In vivo , Fostamatinib reduced MUC1 abundance in lung epithelial cells in a mouse model of ALI. In vitro , SYK inhibition by Fostamatinib promoted MUC1 removal from the cell surface. Our work reveals Fostamatinib as a repurposing drug candidate for ALI and provides the rationale for rapidly standing up clinical trials to test Fostamatinib efficacy in patients with COVID-19 lung injury.

Abstract SARS-CoV-2, the coronavirus that causes COVID-19, binds to angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) on human cells. Beyond the lung, COVID-19 impacts diverse tissues including the kidney. ACE2 is a key member of the Renin-Angiotensin-Aldosterone System (RAAS) which regulates blood pressure, largely through its effects on the kidney. RAAS blockers such as ACE inhibitors (ACEi) and Angiotensin Receptor Blockers (ARBs) are widely used therapies for hypertension, cardiovascular and chronic kidney diseases, and therefore, there is intense interest in their effect on ACE2 expression and its implications for SARS-CoV-2 pathogenicity. Here, we analyzed single-cell and single-nucleus RNA-seq of human kidney to interrogate the association of ACEi/ARB use with ACE2 expression in specific cell types. First, we performed an integrated analysis aggregating 176,421 cells across 49 donors, 8 studies and 8 centers, and adjusting for sex, age, donor and center effects, to assess the relationship of ACE2 with age and sex at baseline. We observed a statistically significant increase in ACE2 expression in tubular epithelial cells of the thin loop of Henle (tLoH) in males relative to females at younger ages, the trend reversing, and losing significance with older ages. ACE2 expression in tLoH increases with age in females, with an opposite, weak effect in males. In an independent cohort, we detected a statistically significant increase in ACE2 expression with ACEi/ARB use in epithelial cells of the proximal tubule and thick ascending limb, and endothelial cells, but the association was confounded in this small cohort by the underlying disease. Our study illuminates the dynamics of ACE2 expression in specific kidney cells, with implications for SARS-CoV-2 entry and pathogenicity.

Abstract Human iPSC-derived kidney organoids have the potential to revolutionize discovery, but assessing their consistency and reproducibility across iPSC lines, and reducing the generation of off-target cells remain an open challenge. Here, we used single cell RNA-Seq (scRNA-Seq) to profile 415,775 cells to show that organoid composition and development are comparable to human fetal and adult kidneys. Although cell classes were largely reproducible across iPSC lines, time points, protocols, and replicates, cell proportions were variable between different iPSC lines. Off-target cell proportions were the most variable. Prolonged in vitro culture did not alter cell types, but organoid transplantation under the mouse kidney capsule diminished off-target cells. Our work shows how scRNA-seq can help score organoids for reproducibility, faithfulness and quality, that kidney organoids derived from different iPSC lines are comparable surrogates for human kidney, and that transplantation enhances their formation by diminishing off-target cells.

The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.

Abstract High resolution spatial transcriptomics is a transformative technology that enables mapping of RNA expression directly from intact tissue sections; however, its utility for the elucidation of disease processes and therapeutically actionable pathways remain largely unexplored. Here we applied Slide-seqV2 to mouse and human kidneys, in healthy and in distinct disease paradigms. First, we established the feasibility of Slide-seqV2 in human kidney by analyzing tissue from 9 distinct donors, which revealed a cell neighborhood centered around a population of LYVE1+ macrophages. Second, in a mouse model of diabetic kidney disease, we detected changes in the cellular organization of the spatially-restricted kidney filter and blood flow regulating apparatus. Third, in a mouse model of a toxic proteinopathy, we identified previously unknown, disease-specific cell neighborhoods centered around macrophages. In a spatially-restricted subpopulation of epithelial cells, we also found perturbations in 77 genes associated with the unfolded protein response (UPR). Our studies illustrate and experimentally validate the utility of Slide-seqV2 for the discovery of disease-specific cell neighborhoods. One-Sentence Summary High resolution Slide-seqV2 spatial transcriptomics in human and mouse kidneys.

Abstract Quality control (QC) of cells, a critical step in single-cell RNA sequencing data analysis, has largely relied on arbitrarily fixed data-agnostic thresholds on QC metrics such as gene complexity and fraction of reads mapping to mitochondrial genes. The few existing data-driven approaches perform QC at the level of samples or studies without accounting for biological variation in the commonly used QC criteria. We demonstrate that the QC metrics vary both at the tissue and cell state level across technologies, study conditions, and species. We propose data-driven QC ( ddqc ), an unsupervised adaptive quality control framework that performs flexible and data-driven quality control at the level of cell states while retaining critical biological insights and improved power for downstream analysis. On applying ddqc to 6,228,212 cells and 835 mouse and human samples, we retain a median of 39.7% more cells when compared to conventional data-agnostic QC filters. With ddqc , we recover biologically meaningful trends in gene complexity and ribosomal expression among cell-types enabling exploration of cell states with minimal transcriptional diversity or maximum ribosomal protein expression. Moreover, ddqc allows us to retain cell-types often lost by conventional QC such as metabolically active parenchymal cells, and specialized cells such as neutrophils or gastric chief cells. Taken together, our work proposes a revised paradigm to quality filtering best practices - iterative QC, providing a data-driven quality control framework compatible with observed biological diversity.

Abstract Intrauterine growth restriction (IUGR) of fetuses affects 5-10% of pregnancies and is associated with perinatal morbidity, mortality and long-term health issues. Understanding genetic predisposition to IUGR is challenging, owing to extensive gene polymorphisms, linkage disequilibrium, and maternal and paternal influence. Here, we demonstrate that the inhibitory receptor, KIR2DL1, expressed on maternal uterine natural killer (uNK) cells, in interaction with the paternally-inherited HLA-C*05, an HLA-C group 2 allotype, expressed on fetal trophoblast cells, causes IUGR in a humanised mouse model. Micro-CT imaging of the uteroplacental vasculature revealed reduced uterine spiral artery diameter and increased segment length, increasing fetal blood flow resistance. Single cell RNA-Seq from the maternal-fetal interface highlighted expression programs activated by KIR2DL1-induced IUGR in several placental cell types, including degradation of extracellular matrix components, angiogenesis, and uNK cell communication, suggesting a complex response underlying IUGR. As current IUGR treatments are insufficient, our findings provide important insight for drug development.

Abstract The balance between T helper type 1 (Th1) cells and other Th cells is critical for antiviral and anti-tumor responses, but how this fine balance is achieved remains poorly understood. Here, we dissected the dynamic regulation of Th1 cell differentiation during in vitro polarization, as well as in vivo differentiation upon acute viral infection, using scRNA-seq and multiple in vitro and in vivo CRISPR screens. We confirmed the role of known regulators and identified 5 novel regulators for Th1 differentiation. Among the novel regulators the neuropeptide receptor RAMP3, which is a component of the receptor for calcitonin gene-related peptide (CGRP), plays a cell-intrinsic role in Th1 cell-fate determination. Using a unique Th1/Th2 dichotomous culture system, we identified that RAMP3-CGRP interaction directly restricted the differentiation of Th2 cells but promoted Th1 differentiation through activation of downstream cyclic AMP (cAMP) signaling in T cells. Mechanistically, RAMP3 and cAMP signaling resulted in global changes in chromatin accessibility, blocking Th2 genes and specific induction of Th1 programs through activation of IFNγ-STAT1 pathway. Furthermore, both CGRP and RAMP3 were required for inducing effective anti-viral T cell responses to control acute viral infection. Our work reveals a novel neuro-immune circuit in which tissue itself participates in T cell fate determination by producing a neuropeptide during acute viral infection, which acts on RAMP3 expressing T cells to induce an effective anti-viral Th1 response.