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.

Abstract The regeneration of the mammalian skeleton’s craniofacial bones necessitates the action of intrinsic and extrinsic inductive factors from multiple cell types, which function hierarchically and temporally to control the differentiation of osteogenic progenitors. Single-cell transcriptomics of developing mouse calvarial suture recently identified a suture mesenchymal progenitor population with previously unappreciated tendon- or ligament-associated gene expression profile. Here, we developed a Mohawk homeobox ( Mkx CG ; R26R tdT ) reporter mouse and demonstrated that this reporter identifies an adult calvarial suture resident cell population that gives rise to calvarial osteoblasts and osteocytes during homeostatic conditions. Single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) data reveal that Mkx + suture cells display a progenitor-like phenotype with expression of teno-ligamentous genes. Bone injury with Mkx + cell ablation showed delayed bone healing. Remarkably, Mkx gene played a critical role as an osteo-inhibitory factor in calvarial suture cells, as knockdown or knockout resulted in increased osteogenic differentiation. Localized deletion of Mkx in vivo also resulted in robustly increased calvarial defect repair. We further showed that mechanical stretch dynamically regulates Mkx expression, in turn regulating calvarial cell osteogenesis. Together, we define Mkx + cells within the suture mesenchyme as a progenitor population for adult craniofacial bone repair, and Mkx acts as a mechanoresponsive gene to prevent osteogenic differentiation within the stem cell niche.

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.

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.

Skeletal muscles connect bones and tendons for locomotion and posture. Understanding the regenerative processes of muscle, bone and tendon is of importance to basic research and clinical applications. Despite their interconnections, distinct transcription factors have been reported to orchestrate each tissue's developmental and regenerative processes. Here we show that Scx expression is not detectable in adult muscle stem cells (also known as satellite cells, SCs) during quiescence. Scx expression begins in activated SCs and continues throughout regenerative myogenesis after injury. By SC-specific Scx gene inactivation (ScxcKO), we show that Scx function is required for SC expansion/renewal and robust new myofiber formation after injury. We combined single-cell RNA-sequencing and CUT&RUN to identify direct Scx target genes during muscle regeneration. These target genes help explain the muscle regeneration defects of ScxcKO, and are not overlapping with Scx -target genes identified in tendon development. Together with a recent finding of a subpopulation of Scx -expressing connective tissue fibroblasts with myogenic potential during early embryogenesis, we propose that regenerative and developmental myogenesis co-opt the Scx gene via different mechanisms.