Cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. We provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs) to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium.We reprocessed human control single-cell RNA sequencing (scRNAseq) data from 6 datasets. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by fluorescent microscopy and in situ hybridization. scRNAseq of primary lung ECs cultured in vitro was performed. The signaling network between different lung cell types was studied. For cross-species analysis or disease relevance, we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs or from human lungs with pulmonary hypertension.Six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify >15 000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including panendothelial, panvascular, and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial, and venous ECs, we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC, we identified 2 previously indistinguishable populations: pulmonary-venous ECs (COL15A1neg) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1pos) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary ECs, we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1, and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all 6 endothelial cell types, including the systemic-venous ECs and aerocytes, are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. scRNAseq of commercially available primary lung ECs demonstrated a loss of their native lung phenotype in culture. scRNAseq revealed that endothelial diversity is maintained in pulmonary hypertension. Our article is accompanied by an online data mining tool (www.LungEndothelialCellAtlas.com).Our integrated analysis provides a comprehensive and well-crafted reference atlas of ECs in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Background Despite its importance in health and disease, the cellular diversity of the lung endothelium has not been systematically characterized in humans. Here we provide a reference atlas of human lung endothelial cells (ECs), to facilitate a better understanding of the phenotypic diversity and composition of cells comprising the lung endothelium, both in health and disease. Methods We reprocessed control single cell RNA sequencing (scRNAseq) data from five datasets of whole lungs that were used for the analysis of pan-endothelial markers, we later included a sixth dataset of sorted control EC for the vascular subpopulation analysis. EC populations were characterized through iterative clustering with subsequent differential expression analysis. Marker genes were validated by immunohistochemistry and in situ hybridization. Signaling network between different lung cell types was studied using connectomic analysis. For cross species analysis we applied the same methods to scRNAseq data obtained from mouse lungs. Results The six lung scRNAseq datasets were reanalyzed and annotated to identify over 15,000 vascular EC cells from 73 individuals. Differential expression analysis of EC revealed signatures corresponding to endothelial lineage, including pan-endothelial, pan-vascular and subpopulation-specific marker gene sets. Beyond the broad cellular categories of lymphatic, capillary, arterial and venous ECs we found previously indistinguishable subpopulations; among venous EC we identified two previously indistinguishable populations, pulmonary-venous ECs (COL15A1 neg ) localized to the lung parenchyma and systemic-venous ECs (COL15A1 pos ) localized to the airways and the visceral pleura; among capillary EC we confirmed their subclassification into recently discovered aerocytes characterized by EDNRB, SOSTDC1 and TBX2 and general capillary EC. We confirmed that all six endothelial cell types, including the systemic-venous EC and aerocytes are present in mice and identified endothelial marker genes conserved in humans and mice. Ligand-Receptor connectome analysis revealed important homeostatic crosstalk of EC with other lung resident cell types. Our manuscript is accompanied by an online data mining tool ( www.LungEndothelialCellAtlas.com ). Conclusion Our integrated analysis provides the comprehensive and well-crafted reference atlas of lung endothelial cells in the normal lung and confirms and describes in detail previously unrecognized endothelial populations across a large number of humans and mice.

Abstract Background Loss of secretory immunoglobulin A (SIgA) is common in COPD small airways and likely contributes to disease progression. We hypothesized loss of SIgA results from reduced expression of pIgR, a chaperone protein needed for SIgA transcytosis, in the COPD small airway epithelium. Methods pIgR-expressing cells were defined and quantified at single-cell resolution in human airways using RNA in-situ hybridization, immunostaining, and single-cell RNA sequencing. Complementary studies in mice utilized immunostaining, primary murine tracheal epithelial cell (MTEC) culture, and transgenic mice with secretory or ciliated cell-specific knockout of pIgR. SIgA degradation by human neutrophil elastase or secreted bacterial proteases from non-typeable Haemophilus influenzae (NTHi) was evaluated in vitro . Results We found that secretory cells are the predominant cell type responsible for pIgR expression in human and murine airways. Loss of SIgA in small airways was not associated with a reduction in secretory cells but rather a reduction in pIgR protein expression despite intact PIGR mRNA expression. Neutrophil elastase and NTHi-secreted proteases are both capable of degrading SIgA in vitro and may also contribute to a deficient SIgA immunobarrier in COPD. Interpretation Loss of the SIgA immunobarrier in small airways of patients severe COPD is complex and likely results from both pIgR-dependent defects in IgA transcytosis and SIgA degradation. Key Messages What is the key question ? Localized SIgA deficiency in small airways is an established driver of COPD pathogenesis, but the mechanism of loss remains unclear. We hypothesized loss of SIgA is due to reduced numbers of pIgR-expressing cells in SIgA-deficient small airways. What is the bottom line ? pIgR is primarily expressed by secretory cells in human and murine airways. Although numbers of secretory cells are similar between SIgA-deficient and SIgA-replete airways in COPD, there is reduced expression of pIgR protein, but not mRNA, in SIgA-deficient airways. Additionally, host and bacterial proteases degrade SIgA in vitro, suggesting loss of SIgA may relate to both impaired transcytosis and increased degradation. Why read on ? This study highlights the complexity of SIgA immunobarrier maintenance and suggests that strategies aimed at restoring the SIgA immunobarrier will need to account for both impaired transcytosis and degradation by host and/or bacterial proteases.

Patients with chronic lung disease (CLD) have an increased risk for severe coronavirus disease-19 (COVID-19) and poor outcomes. Here, we analyzed the transcriptomes of 605,904 single cells isolated from healthy and CLD lungs to identify molecular characteristics of lung cells that may account for worse COVID-19 outcomes in patients with chronic lung diseases. We observed a similar cellular distribution and relative expression of SARS-CoV-2 entry factors in control and CLD lungs. CLD epithelial cells expressed higher levels of genes linked directly to the efficiency of viral replication and innate immune response. Additionally, we identified basal differences in inflammatory gene expression programs that highlight how CLD alters the inflammatory microenvironment encountered upon viral exposure to the peripheral lung. Our study indicates that CLD is accompanied by changes in cell-type-specific gene expression programs that prime the lung epithelium for and influence the innate and adaptive immune responses to SARS-CoV-2 infection.

ABSTRACT Precision-cut lung slices (PCLS) are increasingly utilized for ex vivo disease modeling, but a high-resolution characterization of cellular phenotype stability in PCLS has not been reported. Comparing the single-cell transcriptomic profile of human PCLS after five days of culture to freshly isolated human lung tissue, we found striking changes in endothelial cell and alveolar epithelial cell programs, reflecting both injury and pathways activated in static culture, while immune cell frequencies and programs remained largely intact and similar to the native lung. These cellular dynamics should be considered when utilizing PCLS as a model of the human lung.

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.

Pulmonary fibrosis is a form of chronic lung disease characterized by pathologic epithelial remodeling and accumulation of extracellular matrix. In order to comprehensively define the cell types, mechanisms and mediators driving fibrotic remodeling in lungs with pulmonary fibrosis, we performed single-cell RNA-sequencing of single-cell suspensions from 10 non-fibrotic control and 20 PF lungs. Analysis of 114,396 cells identified 31 distinct cell types. We report a remarkable shift in epithelial cell phenotypes occurs in the peripheral lung in PF, and identify several previously unrecognized epithelial cell phenotypes including a KRT5-/KRT17+, pathologic ECM-producing epithelial cell population that was highly enriched in PF lungs. Multiple fibroblast subtypes were observed to contribute to ECM expansion in a spatially-discrete manner. Together these data provide high-resolution insights into the complexity and plasticity of the distal lung epithelium in human disease, and indicate a diversity of epithelial and mesenchymal cells contribute to pathologic lung fibrosis.