Single-cell expression profiles of melanoma Tumors harbor multiple cell types that are thought to play a role in the development of resistance to drug treatments. Tirosh et al. used single-cell sequencing to investigate the distribution of these differing genetic profiles within melanomas. Many cells harbored heterogeneous genetic programs that reflected two different states of genetic expression, one of which was linked to resistance development. Following drug treatment, the resistance-linked expression state was found at a much higher level. Furthermore, the environment of the melanoma cells affected their gene expression programs. Science , this issue p. 189

There is pressing urgency to understand the pathogenesis of the severe acute respiratory syndrome coronavirus clade 2 (SARS-CoV-2), which causes the disease COVID-19. SARS-CoV-2 spike (S) protein binds angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), and in concert with host proteases, principally transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2), promotes cellular entry. The cell subsets targeted by SARS-CoV-2 in host tissues and the factors that regulate ACE2 expression remain unknown. Here, we leverage human, non-human primate, and mouse single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets across health and disease to uncover putative targets of SARS-CoV-2 among tissue-resident cell subsets. We identify ACE2 and TMPRSS2 co-expressing cells within lung type II pneumocytes, ileal absorptive enterocytes, and nasal goblet secretory cells. Strikingly, we discovered that ACE2 is a human interferon-stimulated gene (ISG) in vitro using airway epithelial cells and extend our findings to in vivo viral infections. Our data suggest that SARS-CoV-2 could exploit species-specific interferon-driven upregulation of ACE2, a tissue-protective mediator during lung injury, to enhance infection.

Cytokine-producing innate lymphoid cells are found at mucosal surfaces. Artis and Wherry and their colleagues show that innate 'nuocyte-like' cells accumulate in virus-infected lungs and contribute to the repair of tissues. Innate lymphoid cells (ILCs), a heterogeneous cell population, are critical in orchestrating immunity and inflammation in the intestine, but whether ILCs influence immune responses or tissue homeostasis at other mucosal sites remains poorly characterized. Here we identify a population of lung-resident ILCs in mice and humans that expressed the alloantigen Thy-1 (CD90), interleukin 2 (IL-2) receptor α-chain (CD25), IL-7 receptor α-chain (CD127) and the IL-33 receptor subunit T1-ST2. Notably, mouse ILCs accumulated in the lung after infection with influenza virus, and depletion of ILCs resulted in loss of airway epithelial integrity, diminished lung function and impaired airway remodeling. These defects were restored by administration of the lung ILC product amphiregulin. Collectively, our results demonstrate a critical role for lung ILCs in restoring airway epithelial integrity and tissue homeostasis after infection with influenza virus.

Group 3 innate lymphoid cells are shown to process and present antigen and to control CD4+ T-cell responses to intestinal commensal bacteria through an MHC-class-II-dependent mechanism. The recently characterized innate lymphoid cells (ILCs) can be classified functionally into three groups. Group 1 ILCs produce interferon-γ, group 2 cells express interleukin (IL)-5, IL-13 and amphiregulin, and group 3 ILCs produce IL-17A and IL-22. The function of ILCs in the presence of adaptive immunity and their potential to influence adaptive immune cell responses are largely unknown. A study in mice now shows that group 3 ILCs process and present antigen and control CD4+ T-cell responses to intestinal commensal bacteria through an MHC-class-II-dependent mechanism. This finding may be relevant to the pathogenesis of chronic human diseases associated with inflammatory host immune responses to commensal bacteria. Innate lymphoid cells (ILCs) are a recently characterized family of immune cells that have critical roles in cytokine-mediated regulation of intestinal epithelial cell barrier integrity1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Alterations in ILC responses are associated with multiple chronic human diseases, including inflammatory bowel disease, implicating a role for ILCs in disease pathogenesis3,8,11,12,13. Owing to an inability to target ILCs selectively, experimental studies assessing ILC function have predominantly used mice lacking adaptive immune cells1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. However, in lymphocyte-sufficient hosts ILCs are vastly outnumbered by CD4+ T cells, which express similar profiles of effector cytokines. Therefore, the function of ILCs in the presence of adaptive immunity and their potential to influence adaptive immune cell responses remain unknown. To test this, we used genetic or antibody-mediated depletion strategies to target murine ILCs in the presence of an adaptive immune system. We show that loss of retinoic-acid-receptor-related orphan receptor-γt-positive (RORγt+) ILCs was associated with dysregulated adaptive immune cell responses against commensal bacteria and low-grade systemic inflammation. Remarkably, ILC-mediated regulation of adaptive immune cells occurred independently of interleukin (IL)-17A, IL-22 or IL-23. Genome-wide transcriptional profiling and functional analyses revealed that RORγt+ ILCs express major histocompatibility complex class II (MHCII) and can process and present antigen. However, rather than inducing T-cell proliferation, ILCs acted to limit commensal bacteria-specific CD4+ T-cell responses. Consistent with this, selective deletion of MHCII in murine RORγt+ ILCs resulted in dysregulated commensal bacteria-dependent CD4+ T-cell responses that promoted spontaneous intestinal inflammation. These data identify that ILCs maintain intestinal homeostasis through MHCII-dependent interactions with CD4+ T cells that limit pathological adaptive immune cell responses to commensal bacteria.

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.

Exhausted CD8+ T cells function poorly and are negatively regulated by inhibitory receptors. Transcriptional profiling has identified gene expression changes associated with exhaustion. However, the transcriptional pathways critical to the differences between exhausted and functional memory CD8+ T cells are unclear. We thus defined transcriptional coexpression networks to define pathways centrally involved in exhaustion versus memory. These studies revealed differences between exhausted and memory CD8+ T cells including the following: lack of coordinated transcriptional modules of quiescence during exhaustion, centrally connected hub genes, pathways such as transcription factors, genes involved in regulation of immune responses, and DNA repair genes, as well as differential connectivity for genes including T-bet, Eomes, and other transcription factors. These data identify pathways involved in CD8+ T cell exhaustion, and highlight the context-dependent nature of transcription factors in exhaustion versus memory.

SARS-CoV-2 infection can cause severe respiratory COVID-19. However, many individuals present with isolated upper respiratory symptoms, suggesting potential to constrain viral pathology to the nasopharynx. Which cells SARS-CoV-2 primarily targets and how infection influences the respiratory epithelium remains incompletely understood. We performed scRNA-seq on nasopharyngeal swabs from 58 healthy and COVID-19 participants. During COVID-19, we observe expansion of secretory, loss of ciliated, and epithelial cell repopulation via deuterosomal cell expansion. In mild and moderate COVID-19, epithelial cells express anti-viral/interferon-responsive genes, while cells in severe COVID-19 have muted anti-viral responses despite equivalent viral loads. SARS-CoV-2 RNA+ host-target cells are highly heterogenous, including developing ciliated, interferon-responsive ciliated, AZGP1high goblet, and KRT13+ "hillock"-like cells, and we identify genes associated with susceptibility, resistance, or infection response. Our study defines protective and detrimental responses to SARS-CoV-2, the direct viral targets of infection, and suggests that failed nasal epithelial anti-viral immunity may underlie and precede severe COVID-19.

Infection with SARS-CoV-2, the virus that causes COVID-19, can lead to severe lower respiratory illness including pneumonia and acute respiratory distress syndrome, which can result in profound morbidity and mortality. However, many infected individuals are either asymptomatic or have isolated upper respiratory symptoms, which suggests that the upper airways represent the initial site of viral infection, and that some individuals are able to largely constrain viral pathology to the nasal and oropharyngeal tissues. Which cell types in the human nasopharynx are the primary targets of SARS-CoV-2 infection, and how infection influences the cellular organization of the respiratory epithelium remains incompletely understood. Here, we present nasopharyngeal samples from a cohort of 35 individuals with COVID-19, representing a wide spectrum of disease states from ambulatory to critically ill, as well as 23 healthy and intubated patients without COVID-19. Using standard nasopharyngeal swabs, we collected viable cells and performed single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq), simultaneously profiling both host and viral RNA. We find that following infection with SARS-CoV-2, the upper respiratory epithelium undergoes massive reorganization: secretory cells diversify and expand, and mature epithelial cells are preferentially lost. Further, we observe evidence for deuterosomal cell and immature ciliated cell expansion, potentially representing active repopulation of lost ciliated cells through coupled secretory cell differentiation. Epithelial cells from participants with mild/moderate COVID-19 show extensive induction of genes associated with anti-viral and type I interferon responses. In contrast, cells from participants with severe lower respiratory symptoms appear globally muted in their anti-viral capacity, despite substantially higher local inflammatory myeloid populations and equivalent nasal viral loads. This suggests an essential role for intrinsic, local epithelial immunity in curbing and constraining viral-induced pathology. Using a custom computational pipeline, we characterized cell-associated SARS-CoV-2 RNA and identified rare cells with RNA intermediates strongly suggestive of active replication. Both within and across individuals, we find remarkable diversity and heterogeneity among SARS-CoV-2 RNA+ host cells, including developing/immature and interferon-responsive ciliated cells, KRT13+ "hillock"-like cells, and unique subsets of secretory, goblet, and squamous cells. Finally, SARS-CoV-2 RNA+ cells, as compared to uninfected bystanders, are enriched for genes involved in susceptibility (e.g., CTSL, TMPRSS2) or response (e.g., MX1, IFITM3, EIF2AK2) to infection. Together, this work defines both protective and detrimental host responses to SARS-CoV-2, determines the direct viral targets of infection, and suggests that failed anti-viral epithelial immunity in the nasal mucosa may underlie the progression to severe COVID-19.

Abstract The molecular underpinnings of organ dysfunction in acute COVID-19 and its potential long-term sequelae are under intense investigation. To shed light on these in the context of liver function, we performed single-nucleus RNA-seq and spatial transcriptomic profiling of livers from 17 COVID-19 decedents. We identified hepatocytes positive for SARS-CoV-2 RNA with an expression phenotype resembling infected lung epithelial cells. Integrated analysis and comparisons with healthy controls revealed extensive changes in the cellular composition and expression states in COVID-19 liver, reflecting hepatocellular injury, ductular reaction, pathologic vascular expansion, and fibrogenesis. We also observed Kupffer cell proliferation and erythrocyte progenitors for the first time in a human liver single-cell atlas, resembling similar responses in liver injury in mice and in sepsis, respectively. Despite the absence of a clinical acute liver injury phenotype, endothelial cell composition was dramatically impacted in COVID-19, concomitantly with extensive alterations and profibrogenic activation of reactive cholangiocytes and mesenchymal cells. Our atlas provides novel insights into liver physiology and pathology in COVID-19 and forms a foundational resource for its investigation and understanding.