Despite their crucial role in health and disease, our knowledge of immune cells within human tissues remains limited. We surveyed the immune compartment of 16 tissues from 12 adult donors by single-cell RNA sequencing and VDJ sequencing generating a dataset of ~360,000 cells. To systematically resolve immune cell heterogeneity across tissues, we developed CellTypist, a machine learning tool for rapid and precise cell type annotation. Using this approach, combined with detailed curation, we determined the tissue distribution of finely phenotyped immune cell types, revealing hitherto unappreciated tissue-specific features and clonal architecture of T and B cells. Our multitissue approach lays the foundation for identifying highly resolved immune cell types by leveraging a common reference dataset, tissue-integrated expression analysis, and antigen receptor sequencing.

Single-cell transcriptomics has allowed unprecedented resolution of cell types/states in the human lung, but their spatial context is less well defined. To (re)define tissue architecture of lung and airways, we profiled five proximal-to-distal locations of healthy human lungs in depth using multi-omic single cell/nuclei and spatial transcriptomics (queryable at lungcellatlas.org ). Using computational data integration and analysis, we extend beyond the suspension cell paradigm and discover macro and micro-anatomical tissue compartments including previously unannotated cell types in the epithelial, vascular, stromal and nerve bundle micro-environments. We identify and implicate peribronchial fibroblasts in lung disease. Importantly, we discover and validate a survival niche for IgA plasma cells in the airway submucosal glands (SMG). We show that gland epithelial cells recruit B cells and IgA plasma cells, and promote longevity and antibody secretion locally through expression of CCL28, APRIL and IL-6. This new 'gland-associated immune niche' has implications for respiratory health.

Summary Multiple distinct cell types of the human lung and airways have been defined by single cell RNA sequencing (scRNAseq). Here we present a multi-omics spatial lung atlas to define novel cell types which we map back into the macro- and micro-anatomical tissue context to define functional tissue microenvironments. Firstly, we have generated single cell and nuclei RNA sequencing, VDJ-sequencing and Visium Spatial Transcriptomics data sets from 5 different locations of the human lung and airways. Secondly, we define additional cell types/states, as well as spatially map novel and known human airway cell types, such as adult lung chondrocytes, submucosal gland (SMG) duct cells, distinct pericyte and smooth muscle subtypes, immune-recruiting fibroblasts, peribronchial and perichondrial fibroblasts, peripheral nerve associated fibroblasts and Schwann cells. Finally, we define a survival niche for IgA-secreting plasma cells at the SMG, comprising the newly defined epithelial SMG-Duct cells, and B and T lineage immune cells. Using our transcriptomic data for cell-cell interaction analysis, we propose a signalling circuit that establishes and supports this niche. Overall, we provide a transcriptional and spatial lung atlas with multiple novel cell types that allows for the study of specific tissue microenvironments such as the newly defined gland-associated lymphoid niche (GALN).

Abstract We present a multiomic cell atlas of human lung development that combines single cell RNA and ATAC sequencing, high throughput spatial transcriptomics and single cell imaging. Coupling single cell methods with spatial analysis has allowed a comprehensive cellular survey of the epithelial, mesenchymal, endothelial and erythrocyte/leukocyte compartments from 5-22 post conception weeks. We identify new cell states in all compartments. These include developmental-specific secretory progenitors and a new subtype of neuroendocrine cell related to human small cell lung cancer. Our datasets are available through our web interface ( https://lungcellatlas.org ). Finally, to illustrate its general utility, we use our cell atlas to generate predictions about cell-cell signalling and transcription factor hierarchies which we test using organoid models. Highlights Spatiotemporal atlas of human lung development from 5-22 post conception weeks identifies 144 cell types/states. Tracking the developmental origins of multiple cell compartments, including new progenitor states. Functional diversity of fibroblasts in distinct anatomical signalling niches. Resource applied to interrogate and experimentally test the transcription factor code controlling neuroendocrine cell heterogeneity and the origins of small cell lung cancer.

The COVID-19 pandemic is an ongoing global health threat, yet our understanding of the dynamics of early cellular responses to this disease remains limited

Abstract The cellular landscape of the human intestinal tract is dynamic throughout life, developing in utero and changing in response to functional requirements and environmental exposures. To comprehensively map cell lineages in the healthy developing, pediatric and adult human gut from ten distinct anatomical regions, as well as draining lymph nodes, we used singlecell RNA-seq and VDJ analysis of roughly one third of a million cells. This reveals the presence of BEST4+ absorptive cells throughout the human intestinal tract, demonstrating the existence of this cell type beyond the colon for the first time. Furthermore, we implicate IgG sensing as a novel function of intestinal tuft cells, and link these cells to the pathogenesis of inflammatory bowel disease. We define novel glial and neuronal cell populations in the developing enteric nervous system, and predict cell-type specific expression of Hirschsprung’s disease-associated genes. Finally, using a systems approach, we identify key cell players across multiple cell lineages driving secondary lymphoid tissue formation in early human development. We show that these programs are adopted in inflammatory bowel disease to recruit and retain immune cells at the site of inflammation. These data provide an unprecedented catalogue of intestinal cells, and new insights into cellular programs in development, homeostasis and disease.

Tumour behaviour is dependent on the oncogenic properties of cancer cells and their multi-cellular interactions. These dependencies were examined through 270,000 single cell transcriptomes and 100 micro-dissected whole exomes obtained from 12 patients with kidney tumours. Tissue was sampled from multiple regions of tumour core, tumour-normal interface, normal surrounding tissues, and peripheral blood. We found the principal spatial location of CD8+ T cell clonotypes largely defined exhaustion state, with clonotypic heterogeneity not explained by somatic intra-tumoural heterogeneity. De novo mutation calling from single cell RNA sequencing data allows us to lineage-trace and infer clonality of cells. We discovered six meta-programmes that distinguish tumour cell function. An epithelial-mesenchymal transition meta-programme, enriched at the tumour-normal interface appears modulated through macrophage expressed IL1B, potentially forming a therapeutic target.

Abstract A cell’s function is defined by its intrinsic characteristics and its niche: the tissue microenvironment in which it dwells. Here, we combine single-cell and spatial transcriptomic data to discover cellular niches within eight regions of the human heart. We map cells to micro-anatomic locations and integrate knowledge-based and unsupervised structural annotations. For the first time, we profile the cells of the human cardiac conduction system, revealing their distinctive repertoire of ion channels, G-protein coupled receptors, and cell interactions using a custom CellPhoneDB.org module. We show that the sinoatrial node is compartmentalised, with a core of pacemaker cells, fibroblasts and glial cells supporting paracrine glutamatergic signalling. We introduce a druggable target prediction tool, drug2cell, which leverages single-cell profiles and drug-target interactions, providing unexpected mechanistic insights into the chronotropic effects of drugs, including GLP-1 analogues. In the epicardium, we show enrichment of both IgG+ and IgA+ plasma cells forming immune niches which may contribute to infection defence. We define a ventricular myocardial-stress niche enriched for activated fibroblasts and stressed cardiomyocytes, cell states that are expanded in cardiomyopathies. Overall, we provide new clarity to cardiac electro-anatomy and immunology, and our suite of computational approaches can be deployed to other tissues and organs.

The immune system comprises multiple cell lineages and heterogeneous subsets found in blood and tissues throughout the body. While human immune responses differ between sites and over age, the underlying sources of variation remain unclear as most studies are limited to peripheral blood. Here, we took a systems approach to comprehensively profile RNA and surface protein expression of over 1.25 million immune cells isolated from blood, lymphoid organs, and mucosal tissues of 24 organ donors aged 20-75 years. We applied a multimodal classifier to annotate the major immune cell lineages (T cells, B cells, innate lymphoid cells, and myeloid cells) and their corresponding subsets across the body, leveraging probabilistic modeling to define bases for immune variations across donors, tissue, and age. We identified dominant tissue-specific effects on immune cell composition and function across lineages for lymphoid sites, intestines, and blood-rich tissues. Age-associated effects were intrinsic to both lineage and site as manifested by macrophages in mucosal sites, B cells in lymphoid organs, and T and NK cells in blood-rich sites. Our results reveal tissue-specific signatures of immune homeostasis throughout the body and across different ages. This information provides a basis for defining the transcriptional underpinnings of immune variation and potential associations with disease-associated immune pathologies across the human lifespan.

Abstract Skeletal muscle ageing increases the incidence of age-associated frailty and sarcopenia in the elderly worldwide, leading to increased morbidity and mortality. However, our understanding of the cellular and molecular mechanisms of muscle ageing is still far from complete. Here, we generate a single-cell and single-nucleus transcriptomic atlas of skeletal muscle ageing from 15 donors across the adult human lifespan, accompanied by myofiber typing using imaging. Our atlas reveals ageing mechanisms acting across different compartments of the muscle, including muscle stem cells (MuSCs), myofibers and the muscle microenvironment. Firstly, we uncover two mechanisms driving MuSC ageing, namely a decrease in ribosome biogenesis and an increase in inflammation. Secondly, we identify a set of nuclei populations explaining the preferential degeneration of the fast-twitch myofibers and suggest two mechanisms acting to compensate for their loss. Importantly, we identify a neuromuscular junction accessory population, which helps myofiber to compensate for aged-related denervation. Thirdly, we reveal multiple microenvironment cell types contributing to the inflammatory milieu of ageing muscle by producing cytokines and chemokines to attract immune cells. Finally, we provide a comparable mouse muscle ageing atlas and further investigate conserved and specific ageing hallmarks across species. In summary, we present a comprehensive human skeletal muscle ageing resource by combining different data modalities, which significantly expands our understanding of muscle biology and ageing.