Single-cell genomics studies have decoded the immune cell composition of several human prenatal organs but were limited in describing the developing immune system as a distributed network across tissues. We profiled nine prenatal tissues combining single-cell RNA sequencing, antigen-receptor sequencing, and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. This revealed the late acquisition of immune-effector functions by myeloid and lymphoid cell subsets and the maturation of monocytes and T cells before peripheral tissue seeding. Moreover, we uncovered system-wide blood and immune cell development beyond primary hematopoietic organs, characterized human prenatal B1 cells, and shed light on the origin of unconventional T cells. Our atlas provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine, and disease understanding.

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.

Abstract PIWI-interacting RNAs (piRNAs) guide repression of transposable elements in germlines of animals. In Drosophila , piRNAs are produced from heterochromatic genomic loci, called piRNA clusters, that act as a repositories of information about genome invaders. piRNA generation by dual-strand clusters depend on the chromatin-bound Rhino-Deadlock-Cutoff (RDC) complex, which is deposited on clusters guided by piRNAs, forming a feed-forward loop in which piRNAs promote their own biogenesis. However, how piRNA clusters are formed initially, before cognate piRNAs are present, remained unknown. Here we report spontaneous de novo formation of a piRNA cluster from repetitive transgenic sequences. We show that cluster formation occurs gradually over several generations and requires continuous trans-generational transmission of small RNAs from mothers to their progeny. We discovered that maternally-supplied siRNAs are responsible for triggering de novo cluster activation in progeny. In contrast, the siRNA pathway is dispensable for cluster function after its establishment. These results revealed an unexpected cross-talk between the siRNA and piRNA pathways and suggest a mechanism for de novo formation of piRNA clusters triggered by production of siRNAs. Highlights - A transcribed repetitive transgene is spontaneously converted into dual-strand piRNA cluster - Establishment of piRNA cluster occurs over multiple generations and requires cytoplasmic inheritance of cognate small RNA from mothers - Cognate siRNAs initiate the activation of piRNA cluster, but are dispensable after its establishment

Abstract The spike (S) protein receptor-binding domain (RBD) of SARS-CoV-2 is an attractive target for COVID-19 vaccine developments, which naturally exists in a trimeric form. Here, guided by structural and computational analyses, we present a mutation-integrated trimeric form of RBD (mutI tri-RBD) as a broadly protective vaccine candidate, in which three RBDs were individually grafted from three different circulating SARS-CoV-2 strains including the prototype, Beta (B.1.351) and Kappa (B.1.617). The three RBDs were then connected end-to-end and co-assembled to possibly mimic the native trimeric arrangements in the natural S protein trimer. The recombinant expression of the mutI tri-RBD, as well as the homo-tri-RBD where the three RBDs were all truncated from the prototype strain, by mammalian cell exhibited correct folding, strong bio-activities, and high stability. The immunization of both the mutI tri-RBD and homo-tri-RBD plus aluminum adjuvant induced high levels of specific IgG and neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 prototype strain in mice. Notably, regarding to the “immune-escape” Beta (B.1.351) variant, mutI tri-RBD elicited significantly higher neutralizing antibody titers than homo-tri-RBD. Furthermore, due to harboring the immune-resistant mutations as well as the evolutionarily convergent hotspots, the designed mutI tri-RBD also induced strong broadly neutralizing activities against various SARS-CoV-2 variants, especially the variants partially resistant to homo-tri-RBD. Homo-tri-RBD has been approved by the China National Medical Products Administration to enter clinical trial (No. NCT04869592 ), and the superior broad neutralization performances against SARS-CoV-2 support the mutI tri-RBD as a more promising vaccine candidate for further clinical developments.

ABSTRACT Variation in lung alveolar development is strongly linked to disease susceptibility. However, the cellular and molecular mechanisms underlying alveolar development are difficult to study in humans. Using primary human fetal lungs we have characterized a tip progenitor cell population with alveolar fate potential. These data allowed us to benchmark a self-organising organoid system which captures key aspects of lung lineage commitment and can be efficiently differentiated to alveolar type 2 cell fate. Our data show that Wnt and FGF signalling, and the downstream transcription factors NKX2.1 and TFAP2C, promote human alveolar or airway fate respectively. Moreover, we have functionally validated cell-cell interactions in human lung alveolar patterning. We show that Wnt signalling from differentiating fibroblasts promotes alveolar type 2 cell identity, whereas myofibroblasts secrete the Wnt inhibitor, NOTUM, providing spatial patterning. Our organoid system recapitulates key aspects of human lung development allowing mechanistic experiments to determine the underpinning molecular regulation.

ABSTRACT The balance between self-renewal and differentiation in human fetal lung epithelial progenitors controls the size and function of the adult organ. Moreover, progenitor cell gene regulation networks are employed by both regenerating and malignant lung cells, where modulators of their effects could potentially be of therapeutic value. Details of the molecular networks controlling human lung progenitor self-renewal remain unknown. We performed the first CRISPRi screen in primary human lung organoids to identify transcription factors controlling progenitor self-renewal. We show that SOX9 promotes proliferation of lung progenitors and inhibits precocious airway differentiation. Moreover, by identifying direct transcriptional targets using Targeted DamID we place SOX9 at the centre of a transcriptional network which amplifies WNT and RTK signalling to stabilise the progenitor cell state. In addition, the proof-of-principle CRISPRi screen and Targeted DamID tools establish a new approach for using primary human organoids to elucidate detailed functional mechanisms underlying normal development and disease. Highlights A pooled CRISPRi screen in human fetal lung organoids identified transcription factors controlling progenitor cell self-renewal. SOX9 promotes tip progenitor cell proliferation and supresses precocious airway differentiation. Targeted DamID (TaDa) identified SOX9 direct binding targets, revealing that SOX9 lies at the intersection of WNT and RTK signalling. SOX9 and ETVs co-regulate the human fetal lung progenitor self-renewal programme.

Abstract Recent advances in single cell genomics technologies have facilitated studies on the developing immune system at unprecedented scale and resolution. However, these studies have focused on one or a few organs and were thus limited in understanding the developing immune system as a distributed network across tissues. Here, we profiled prenatal haematopoietic organs, lymphoid organs and non-lymphoid tissues using a combination of single-cell RNA sequencing, paired antigen-receptor sequencing and spatial transcriptomics to reconstruct the developing human immune system. Our analysis revealed the acquisition of immune effector transcriptome profiles in macrophages, mast cells and NK cells from the second trimester, and the transcriptomic changes accompanying the late-stage maturation of developing monocytes and T cells that extended from their organ of origin to peripheral tissues. We uncovered system-wide blood and immune cell development beyond the conventional primary haematopoietic organs. We further identified, extensively characterised and functionally validated the human prenatal B1 cells. Finally, we provide evidence for thymocyte-thymocyte selection origin for αβTCR- expressing unconventional T cells based on TCR gene usage and an in vitro artificial thymic organoid culture model. Our comprehensive atlas of the developing human immune system provides both valuable data resources and biological insights that will facilitate cell engineering, regenerative medicine and disease understanding. One-Sentence Summary By performing a comprehensive single-cell RNA sequencing atlas of human developing immune system together with antigen-receptor sequencing and spatial transcriptomics, we explored the cross-gestation and cross-organ variability in immune cells, discovered system-wide blood and immune cell development, identified, characterised and functionally validated the properties of human prenatal B1 cells and the origin of unconventional T cells.

Abstract In mammalian embryogenesis differential gene expression gradually builds the identity and complexity of each tissue and organ system. We systematically quantified mouse polyA-RNA from embryo day E10.5 to birth, sampling 17 whole tissues, enhanced with single-cell measurements for the developing limb. The resulting developmental transcriptome is globally structured by dynamic cytodifferentiation, body-axis and cell-proliferation gene sets, characterized by their promoters’ transcription factor (TF) motif codes. We decomposed the tissue-level transcriptome using scRNA-seq and found that neurogenesis and haematopoiesis dominate at both the gene and cellular levels, jointly accounting for 1/3 of differential gene expression and over 40% of identified cell types. Integrating promoter sequence motifs with companion ENCODE epigenomic profiles identified a promoter de-repression mechanism unique to neuronal expression clusters and attributable to known and novel repressors. Focusing on the developing limb, scRNA-seq identified 25 known and candidate novel cell types, including progenitor and differentiating states with computationally inferred lineage relationships. We extracted cell type TF networks and complementary sets of candidate enhancer elements by de-convolving whole-tissue IDEAS epigenome chromatin state models. These ENCODE reference data, computed network components and IDEAS chromatin segmentations, are companion resources to the matching epigenomic developmental matrix, available for researchers to further mine and integrate.