Abstract Therapeutic blockade of co-inhibitory immune receptors PD-1 and CTLA-4 has revolutionized oncology, but treatments are limited by immune-related adverse events (IRAEs). IRAE Colitis (irColitis) is the most common, severe IRAE affecting up to 25% of patients on dual PD-1 and CTLA-4 inhibition. Here, we present a systems biology approach to define the cell populations and transcriptional programs driving irColitis. We collected paired colon mucosal biopsy and blood specimens from 13 patients with irColitis, 8 healthy individuals, and 8 controls on immune checkpoint inhibitors (ICIs), and analyzed them with single-cell/nuclei RNA sequencing with paired TCR and BCR sequencing, multispectral fluorescence microscopy, and secreted factor analysis (Luminex). We profiled 299,407 cells from tissue and blood and identified 105 cell subsets that revealed significant tissue remodeling in active disease. Colon mucosal immune populations were dominated by tissue-resident memory (T RM ) ITGAE -expressing CD8 T cells representing a phenotypic spectrum defined by gene programs associated with T cell activation, cytotoxicity, cycling, and exhaustion. CD8 T RM and effector CD4 T cells upregulated type 17 immune programs ( IL17A, IL26 ) and Tfh-like programs ( CXCL13, PDCD1 ). We also identified for the first time an increased abundance of two KLRG1 and ITGB2 -expressing CD8 T cell populations with circulatory cell markers, including a GZMK T RM -like population and a CX3CR1 population that is predicted to be intravascular. These two populations were more abundant in irColitis patients treated with dual PD-1/CTLA-4 inhibition than those receiving anti-PD-1 monotherapy. They also had significant TCR sharing with PBMCs, suggesting a circulatory origin. In irColitis we observed significant epithelial turnover marked by fewer LGR5 -expressing stem cells, more transit amplifying cells, and upregulation of apoptotic and DNA-sensing programs such as the cGAS-STING pathway. Mature epithelial cells with top crypt genes upregulated interferon-stimulated pathways, CD274 (PD-L1), anti-microbial genes, and MHC-class II genes, and downregulated aquaporin and solute-carrier gene families, likely contributing to epithelial cell damage and absorptive dysfunction. Mesenchymal remodeling was defined by increased endothelial cells, both in irColitis patients and specifically in patients on dual PD-1/CTLA-4 blockade. Cell-cell communication analysis identified putative receptor-ligand pairs that recruit CD8 T cells from blood to inflamed endothelium and positive feedback loops such as the CXCR3 chemokine system that retain cells in tissue. This study highlights the cellular and molecular drivers underlying irColitis and provides new insights into the role of CTLA-4 and PD-1 signaling in maintaining CD8 T RM homeostasis, regulating CD8 T recruitment from blood, and promoting epithelial-immune crosstalk critical to gastrointestinal immune tolerance and intestinal barrier function.

Multiple studies have identified an association between neutrophils and COVID-19 disease severity; however, the mechanistic basis of this association remains incompletely understood. Here we collected 781 longitudinal blood samples from 306 hospitalized COVID-19 + patients, 78 COVID-19 âˆ' acute respiratory distress syndrome patients, and 8 healthy controls, and performed bulk RNA-sequencing of enriched neutrophils, plasma proteomics, cfDNA measurements and high throughput antibody profiling assays to investigate the relationship between neutrophil states and disease severity or death. We identified dynamic switches between six distinct neutrophil subtypes using non-negative matrix factorization (NMF) clustering. At days 3 and 7 post-hospitalization, patients with severe disease had an enrichment of a granulocytic myeloid derived suppressor cell-like state gene expression signature, while non-severe patients with resolved disease were enriched for a progenitor-like immature neutrophil state signature. Severe disease was associated with gene sets related to neutrophil degranulation, neutrophil extracellular trap (NET) signatures, distinct metabolic signatures, and enhanced neutrophil activation and generation of reactive oxygen species (ROS). We found that the majority of patients had a transient interferon-stimulated gene signature upon presentation to the emergency department (ED) defined here as Day 0, regardless of disease severity, which persisted only in patients who subsequently died. Humoral responses were identified as potential drivers of neutrophil effector functions, as enhanced antibody-dependent neutrophil phagocytosis and reduced NETosis was associated with elevated SARS-CoV-2-specific IgG1-to-IgA1 ratios in plasma of severe patients who survived. In vitro experiments confirmed that while patient-derived IgG antibodies mostly drove neutrophil phagocytosis and ROS production in healthy donor neutrophils, patient-derived IgA antibodies induced a predominant NETosis response. Overall, our study demonstrates neutrophil dysregulation in severe COVID-19 and a potential role for IgA-dominant responses in driving neutrophil effector functions in severe disease and mortality.

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.

Immune checkpoint inhibitors (ICIs) are widely used anti-cancer therapies that can cause morbid and potentially fatal immune-related adverse events (irAEs). ICI-related myocarditis (irMyocarditis) is uncommon but has the highest mortality of any irAE. The pathogenesis of irMyocarditis and its relationship to anti-tumor immunity remain poorly understood. We sought to define immune responses in heart, tumor, and blood during irMyocarditis and identify biomarkers of clinical severity by leveraging single-cell (sc)RNA-seq coupled with T cell receptor (TCR) sequencing, microscopy, and proteomics analysis of 28 irMyocarditis patients and 23 controls. Our analysis of 284,360 cells from heart and blood specimens identified cytotoxic T cells, inflammatory macrophages, conventional dendritic cells (cDCs), and fibroblasts enriched in irMyocarditis heart tissue. Additionally, potentially targetable, pro-inflammatory transcriptional programs were upregulated across multiple cell types. TCR clones enriched in heart and paired tumor tissue were largely non-overlapping, suggesting distinct T cell responses within these tissues. We also identify the presence of cardiac-expanded TCRs in a circulating, cycling CD8 T cell population as a novel peripheral biomarker of fatality. Collectively, these findings highlight critical biology driving irMyocarditis and putative biomarkers for therapeutic intervention.