Human lung single-cell atlas reveals the complexity and diversity of aberrant cellular populations in pulmonary fibrosis.

Abstract Collagen-producing cells maintain the complex architecture of the lung and drive pathologic scarring in pulmonary fibrosis. Here we perform single-cell RNA-sequencing to identify all collagen-producing cells in normal and fibrotic lungs. We characterize multiple collagen-producing subpopulations with distinct anatomical localizations in different compartments of murine lungs. One subpopulation, characterized by expression of Cthrc1 (collagen triple helix repeat containing 1), emerges in fibrotic lungs and expresses the highest levels of collagens. Single-cell RNA-sequencing of human lungs, including those from idiopathic pulmonary fibrosis and scleroderma patients, demonstrate similar heterogeneity and CTHRC1 -expressing fibroblasts present uniquely in fibrotic lungs. Immunostaining and in situ hybridization show that these cells are concentrated within fibroblastic foci. We purify collagen-producing subpopulations and find disease-relevant phenotypes of Cthrc1 -expressing fibroblasts in in vitro and adoptive transfer experiments. Our atlas of collagen-producing cells provides a roadmap for studying the roles of these unique populations in homeostasis and pathologic fibrosis.

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 In this study, we leveraged a combination of single cell RNAseq, cytometry by time of flight (CyTOF), and flow cytometry to study the biology of a unique macrophage population in pulmonary fibrosis. Using the profiling data from 312,928 cells derived from 32 idiopathic pulmonary fibrosis (IPF), 29 healthy control and 18 chronic obstructive pulmonary disease (COPD) lungs, we identified an expanded population of macrophages in IPF that have a unique transcriptional profile associated with pro-fibrotic signature. These macrophages attain a hybrid transitional state between alveolar and interstitial macrophages, are enriched with biological processes of pro-fibrotic immune cells, and express novel surface markers and genes that have not been previously reported. We then applied single cell CyTOF to simultaneously measure 37 markers to precisely phenotype the uniquely expanded macrophage subset in IPF lungs. The SPADE algorithm independently identified an expanded macrophage cluster, and validated CD84 and CD36 as novel surface markers that highly label this cluster. Using a separate validation cohort, we confirmed an increase in CD84 ++ CD36 ++ macrophage population in IPF compared to control and COPD lungs by flow cytometry. Further, using the signature from the IPF-specific macrophages and the LINCS drug database, we predicted small molecules that could reverse the signature of IPF-specific macrophages, and validated two molecules, CRT and Cucur, using THP-1 derived human macrophages and precision-cut lung slices (PCLS) from IPF patients. Utilizing a multi-dimensional translational approach, our work identified a novel and targetable population of macrophages found in end-stage pulmonary fibrosis. One Sentence Summary Single cell RNAseq, CyTOF, and flow cytometry reveal the presence of an aberrant macrophage population in pulmonary fibrosis

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 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.

We provide a single cell atlas of Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF), a fatal interstitial lung disease, focusing on resident lung cell populations. By profiling 312,928 cells from 32 IPF, 29 healthy control and 18 chronic obstructive pulmonary disease (COPD) lungs, we demonstrate that IPF is characterized by changes in discrete subpopulations of cells in the three major parenchymal compartments: the epithelium, endothelium and stroma. Among epithelial cells, we identify a novel population of IPF enriched aberrant basaloid cells that co-express basal epithelial markers, mesenchymal markers, senescence markers, developmental transcription factors and are located at the edge of myofibroblast foci in the IPF lung. Among vascular endothelial cells in the in IPF lung parenchyma we identify an expanded cell population transcriptomically identical to vascular endothelial cells normally restricted to the bronchial circulation. We confirm the presence of both populations by immunohistochemistry and independent datasets. Among stromal cells we identify fibroblasts and myofibroblasts in both control and IPF lungs and leverage manifold-based algorithms diffusion maps and diffusion pseudotime to infer the origins of the activated IPF myofibroblast. Our work provides a comprehensive catalogue of the aberrant cellular transcriptional programs in IPF, demonstrates a new framework for analyzing complex disease with scRNAseq, and provides the largest lung disease single-cell atlas to date.

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.