Abstract Fibroblast to myofibroblast conversion is a major driver of tissue remodeling in organ fibrosis. Several distinct lineages of fibroblasts support homeostatic tissue niche functions, yet, specific activation states and phenotypic trajectories of fibroblasts during injury and repair have remained unclear. Here, we combined spatial transcriptomics, longitudinal single-cell RNA-seq and genetic lineage tracing to study fibroblast fates during mouse lung regeneration. We discovered a transitional fibroblast state characterized by high Sfrp1 expression, derived from both Tcf21-Cre lineage positive and negative cells. Sfrp1+ cells appeared early after injury in peribronchiolar, adventitial and alveolar locations and preceded the emergence of myofibroblasts. We identified lineage specific paracrine signals and inferred converging transcriptional trajectories towards Sfrp1+ transitional fibroblasts and Cthrc1+ myofibroblasts. Tgfβ1 downregulated Sfrp1 in non-invasive transitional cells and induced their switch to an invasive Cthrc1+ myofibroblast identity. Finally, using loss of function studies we showed that autocrine Sfrp1 directly inhibits fibroblast invasion by regulating the RhoA pathway. In summary, our study reveals the convergence of spatially and transcriptionally distinct fibroblast lineages into transcriptionally uniform myofibroblasts and identifies Sfrp1 as an autocrine inhibitor of fibroblast invasion during early stages of fibrogenesis.

Aging promotes lung function decline and susceptibility to chronic lung diseases, which are the third leading cause of death worldwide. We used single cell transcriptomics and mass spectrometry to quantify changes in cellular activity states of 30 cell types and the tissue proteome from lungs of young and old mice. Aging led to increased transcriptional noise, indicating deregulated epigenetic control. We observed highly distinct effects of aging on cell type level, uncovering increased cholesterol biosynthesis in type-2 pneumocytes and lipofibroblasts as a novel hallmark of lung aging. Proteomic profiling revealed extracellular matrix remodeling in old mice, including increased collagen IV and XVI and decreased Fraser syndrome complex proteins and Collagen XIV. Computational integration of the aging proteome and single cell transcriptomes predicted the cellular source of regulated proteins and created a first unbiased reference of the aging lung. The lung aging atlas can be accessed via an interactive user-friendly webtool at: https://theislab.github.io/LungAgingAtlas

Optimal tissue recovery and organismal survival are achieved by spatiotemporal tuning of tissue inflammation, contraction and scar formation1. Here we identify a multipotent fibroblast progenitor marked by CD201 expression in the fascia, the deepest connective tissue layer of the skin. Using skin injury models in mice, single-cell transcriptomics and genetic lineage tracing, ablation and gene deletion models, we demonstrate that CD201+ progenitors control the pace of wound healing by generating multiple specialized cell types, from proinflammatory fibroblasts to myofibroblasts, in a spatiotemporally tuned sequence. We identified retinoic acid and hypoxia signalling as the entry checkpoints into proinflammatory and myofibroblast states. Modulating CD201+ progenitor differentiation impaired the spatiotemporal appearances of fibroblasts and chronically delayed wound healing. The discovery of proinflammatory and myofibroblast progenitors and their differentiation pathways provide a new roadmap to understand and clinically treat impaired wound healing.

ABSTRACT Understanding the development of human respiratory tissues is crucial for modeling and treating lung disorders. The molecular details for the specification of lung progenitors from human pluripotent stem cells (hPSCs) are unclear. Here, we use single cell RNA-sequencing with high temporal resolution along an optimized differentiation protocol to determine the transcriptional hierarchy of lung specification from human hPSCs and map out the underlying single cell trajectories. We show that Sonic hedgehog, TGF- β and Notch activation are required in an ISL1 / NKX2-1 trajectory that gives rise to lung progenitors during the foregut endoderm stage. Induction of HHEX marks an alternative trajectory at the early definitive endoderm stage, which precedes the lung trajectory and generates a major hepatoblast population. Moreover, neither KDR+ nor mesendoderm progenitors are apparent intermediate states of lung and hepatic lineages. Our hierarchical multistep model predicts mechanisms leading to lung organogenesis, and creates a basis for studying early human lung development, as well as hPSC based disease and drug research. Abstract Figure

Abstract Nanomaterials emerged as boundless resource of innovation, but their shape and biopersistence related to respiratory toxicology raise longstanding concerns. The development of predictive safety tests for inhaled nanomaterials, however, is hampered by limited understanding of cell type-specific responses. To advance this knowledge, we used single-cell RNA-sequencing to longitudinally analyze cellular perturbations in mice, caused by three carbonaceous nanomaterials of different shape and toxicity upon pulmonary delivery. Focusing on nanomaterial-specific dynamics of lung inflammation, we found persistent depletion of alveolar macrophages by fiber-shaped nanotubes. While only little involvement was observed for alveolar macrophages during the initiation phase, they emerged, together with infiltrating monocyte-derived macrophages, as decisive factors in shifting inflammation towards resolution for spherical nanomaterials, or chronic inflammation for fibers. Fibroblasts, central for fibrosis, sensed macrophage and epithelial signals and emerged as orchestrators of nanomaterial-induced inflammation. Thus, the mode of actions identified in this study will significantly inspire the precision of future in vitro testing. Graphical abstract

Lung injury activates quiescent stem and progenitor cells to regenerate alveolar structures. The sequence and coordination of transcriptional programs during this process has largely remained elusive. Using single cell RNA-seq, we first generated a whole-organ bird’s-eye view on cellular dynamics and cell-cell communication networks during mouse lung regeneration from ~30,000 cells at six timepoints. We discovered an injury-specific progenitor cell state characterized by Krt8 in flat epithelial cells covering alveolar surfaces. The number of these cells peaked during fibrogenesis in independent mouse models, as well as in human acute lung injury and fibrosis. Krt8+ alveolar progenitors featured a highly distinct connectome of receptor-ligand pairs with endothelial cells, fibroblasts, and macrophages. To ‘sky dive’ into epithelial differentiation dynamics, we sequenced >30,000 sorted epithelial cells at 18 timepoints and computationally derived cell state trajectories that were validated by lineage tracing genetic reporter mice. Airway stem cells within the club cell lineage and alveolar type-2 cells underwent transcriptional convergence onto the same Krt8+ progenitor cell state, which later resolved by terminal differentiation into alveolar type-1 cells. We derived distinct transcriptional regulators as key switch points in this process and show that induction of NFkB, p53, and hypoxia driven gene expression programs precede a Sox4, Ctnnb1, and Wwtr1 driven commitment towards alveolar type-1 cell fate. We show that epithelial cell plasticity can induce non-gradual transdifferentiation, involving intermediate progenitor cell states that may persist and promote disease if checkpoint signals for terminal differentiation are perturbed.

Human lungs enable efficient gas exchange, and form an interface with the environment which depends on mucosal immunity for protection against infectious agents. Tightly controlled interactions between structural and immune cells are required to maintain lung homeostasis. Here, we use single cell transcriptomics to chart the cellular landscape of upper and lower airways and lung parenchyma in health. We report location-dependent airway epithelial cell states, and a novel subset of tissue-resident memory T cells. In lower airways of asthma patients, mucous cell hyperplasia is shown to stem from a novel mucous ciliated cell state, as well as goblet cell hyperplasia. We report presence of pathogenic effector Th2 cells in asthma, and find evidence for type-2 cytokines in maintaining the altered epithelial cell states. Unbiased analysis of cell-cell interactions identify a shift from airway structural cell communication in health to a Th2-dominated interactome in asthma.

ABSTRACT T cell immunity requires antigen capture by conventional dendritic cells (cDCs), digestion and transfer to draining lymph nodes for presentation to antigen-inexperienced T cells. cDCs type I excel as cancer-antigen presenting cells, due to their ability to phagocytose, slowly digest apoptotic cancer cells and translocate cancer antigens to the cytosol for loading to MHCI and cross-presentation to CD8 T cells 1–3 . In tumor tissues cDCs1 become particularly scarce and this restricts anti-tumour immunity, immunotherapy responses and patient survival 4–8 . Tumor cDC1 paucity is not fully understood and no specific treatment currently exists. Here, we find that type I interferons (IFN) induce lysosomal stress, lysosomal membrane permeabilization (LMP) and lysosomal-dependent cell death (LDCD) in cDCs1. Two parallel pathways downstream of IFNAR1 converged to induce cDC1 LDCD. Up-regulation of expression of lysosomal genes enhanced the proteolytic activity of lysosomes, while IFN-inducible guanylate binding protein-2 (GBP-2) accumulated in the membrane of the stressed lysosomes, leading to LMP, proteolytic enzyme release and death. Protease inhibition or GBP-2 repression rescued cDCs1 from LDCD and boosted their anti-tumor efficacy. GBPs are amongst the most abundant IFN-induced genes and known to form toxic pores in pathogen-containing vacuoles and pathogen membranes 9 . GBP-2-driven LMP is likely due to the ability of GBP-2 to form pores on the lysosomes of cDC1s. This might have evolved as a physiological mechanism of antigen translocation to the cytosol for cross-presentation 10 . We anticipate our findings to be a starting point for more rational cDC1-directed immunotherapies. For instance, protease inhibition, GBP-2 downregulation or induced expression of LMP repair machinery may boost cDC1 efficacy in adoptive cell therapies or their use as live vaccines 11–13 .

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.