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.

Single-cell transcriptome analysis enables the direct measurement of cell types and lineage hierarchies of the developing distal lung epithelium and identifies a population of bipotential alveolar progenitor cells. Stephen Quake and colleagues have used a new microfluidic single-cell RNA- sequencing method to examine the cellular heterogeneity in the developing mouse lung. Using this approach they identify potential new markers for both alveolar type 1 (AT1) cells, specialized for gas exchange, and surfactant-secreting cuboidal AT2 cells. The techniques used here could be applied to any developing or mature tissue, so it could be useful for the identification of cell types, progenitors and lineage-specific regulatory factors. The mammalian lung is a highly branched network in which the distal regions of the bronchial tree transform during development into a densely packed honeycomb of alveolar air sacs that mediate gas exchange. Although this transformation has been studied by marker expression analysis and fate-mapping, the mechanisms that control the progression of lung progenitors along distinct lineages into mature alveolar cell types are still incompletely known, in part because of the limited number of lineage markers1,2,3 and the effects of ensemble averaging in conventional transcriptome analysis experiments on cell populations1,2,3,4,5. Here we show that single-cell transcriptome analysis circumvents these problems and enables direct measurement of the various cell types and hierarchies in the developing lung. We used microfluidic single-cell RNA sequencing (RNA-seq) on 198 individual cells at four different stages encompassing alveolar differentiation to measure the transcriptional states which define the developmental and cellular hierarchy of the distal mouse lung epithelium. We empirically classified cells into distinct groups by using an unbiased genome-wide approach that did not require a priori knowledge of the underlying cell types or the previous purification of cell populations. The results confirmed the basic outlines of the classical model of epithelial cell-type diversity in the distal lung and led to the discovery of many previously unknown cell-type markers, including transcriptional regulators that discriminate between the different populations. We reconstructed the molecular steps during maturation of bipotential progenitors along both alveolar lineages and elucidated the full life cycle of the alveolar type 2 cell lineage. This single-cell genomics approach is applicable to any developing or mature tissue to robustly delineate molecularly distinct cell types, define progenitors and lineage hierarchies, and identify lineage-specific regulatory factors.

Although single-cell RNA sequencing studies have begun to provide compendia of cell expression profiles1-9, it has been difficult to systematically identify and localize all molecular cell types in individual organs to create a full molecular cell atlas. Here, using droplet- and plate-based single-cell RNA sequencing of approximately 75,000 human cells across all lung tissue compartments and circulating blood, combined with a multi-pronged cell annotation approach, we create an extensive cell atlas of the human lung. We define the gene expression profiles and anatomical locations of 58 cell populations in the human lung, including 41 out of 45 previously known cell types and 14 previously unknown ones. This comprehensive molecular atlas identifies the biochemical functions of lung cells and the transcription factors and markers for making and monitoring them; defines the cell targets of circulating hormones and predicts local signalling interactions and immune cell homing; and identifies cell types that are directly affected by lung disease genes and respiratory viruses. By comparing human and mouse data, we identified 17 molecular cell types that have been gained or lost during lung evolution and others with substantially altered expression profiles, revealing extensive plasticity of cell types and cell-type-specific gene expression during organ evolution including expression switches between cell types. This atlas provides the molecular foundation for investigating how lung cell identities, functions and interactions are achieved in development and tissue engineering and altered in disease and evolution.

Molecular genetic studies of Drosophila melanogaster have led to profound advances in understanding the regulation of development. Here we report gene expression patterns for nearly one-third of all Drosophila genes during a complete time course of development. Mutations that eliminate eye or germline tissue were used to further analyze tissue-specific gene expression programs. These studies define major characteristics of the transcriptional programs that underlie the life cycle, compare development in males and females, and show that large-scale gene expression data collected from whole animals can be used to identify genes expressed in particular tissues and organs or genes involved in specific biological and biochemical processes.

Alveoli are gas-exchange sacs lined by squamous alveolar type (AT) 1 cells and cuboidal, surfactant-secreting AT2 cells. Classical studies suggested that AT1 arise from AT2 cells, but recent studies propose other sources. Here we use molecular markers, lineage tracing and clonal analysis to map alveolar progenitors throughout the mouse lifespan. We show that, during development, AT1 and AT2 cells arise directly from a bipotent progenitor, whereas after birth new AT1 cells derive from rare, self-renewing, long-lived, mature AT2 cells that produce slowly expanding clonal foci of alveolar renewal. This stem-cell function is broadly activated by AT1 injury, and AT2 self-renewal is selectively induced by EGFR (epidermal growth factor receptor) ligands in vitro and oncogenic Kras(G12D) in vivo, efficiently generating multifocal, clonal adenomas. Thus, there is a switch after birth, when AT2 cells function as stem cells that contribute to alveolar renewal, repair and cancer. We propose that local signals regulate AT2 stem-cell activity: a signal transduced by EGFR-KRAS controls self-renewal and is hijacked during oncogenesis, whereas another signal controls reprogramming to AT1 fate.

Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Mammalian lungs are branched networks containing thousands to millions of airways arrayed in intricate patterns that are crucial for respiration. How such trees are generated during development, and how the developmental patterning information is encoded, have long fascinated biologists and mathematicians. However, models have been limited by a lack of information on the normal sequence and pattern of branching events. Here we present the complete three-dimensional branching pattern and lineage of the mouse bronchial tree, reconstructed from an analysis of hundreds of developmental intermediates. The branching process is remarkably stereotyped and elegant: the tree is generated by three geometrically simple local modes of branching used in three different orders throughout the lung. We propose that each mode of branching is controlled by a genetically encoded subroutine, a series of local patterning and morphogenesis operations, which are themselves controlled by a more global master routine. We show that this hierarchical and modular programme is genetically tractable, and it is ideally suited to encoding and evolving the complex networks of the lung and other branched organs.

Abstract

 Antagonists of several growth factor signaling pathways play important roles in developmental patterning by limiting the range of the cognate inducer. Here, we describe an antagonist of FGF signaling that patterns apical branching of the Drosophila airways. In wild-type embryos, the Branchless FGF induces secondary branching by activating the Breathless FGF receptor near the tips of growing primary branches. In sprouty mutants, the FGF pathway is overactive and ectopic branches are induced on the stalks of primary branches. We show that FGF signaling induces sprouty expression in the nearby tip cells, and sprouty acts nonautonomously and in a competitive fashion to block signaling to the more distant stalk cells. sprouty encodes a novel cysteine-rich protein that defines a new family of putative signaling molecules that may similarly function as FGF antagonists in vertebrate development.

The molecular basis for patterning of complex organ structures like the lung and insect tracheal system is unknown. Here, we describe the Drosophila gene branchless (bnl ) and demonstrate that it is a key determinant of the tracheal branching pattern. bnl is required for tracheal branching and is expressed dynamically in clusters of cells surrounding the developing tracheal system at each position where a new branch will form and grow out. Localized misexpression of bnl can direct branch formation and outgrowth to new positions. Generalized misexpression activates later programs of tracheal gene expression and branching, resulting in massive networks of branches. bnl encodes a homolog of mammalian fibroblast growth factors (FGFs) and appears to function as a ligand for the breathless receptor tyrosine kinase, an FGF receptor homolog expressed on developing tracheal cells. The results suggest that this FGF pathway specifies the tracheal branching pattern by guiding tracheal cell migration during primary branch formation and then activating later programs of finer branching at the ends of growing primary branches.

Fibroblasts as lung stem cell niche Each breath that we take provides oxygen to the bloodstream via tiny sacs in the lung called alveoli. AT1 cells line the alveoli and mediate gas exchange, whereas AT2 cells secrete lung surfactant. A subset of AT2s also serve as stem cells that slowly generate new alveolar cells throughout adult life. Nabhan et al. show that the rare AT2 stem cells have a special niche next to a fibroblast secreting Wnts. This Wnt activity is needed to select and maintain the stem cells. Injury expands the stem cell pool by transiently inducing autocrine Wnts in other surfactant-secreting alveolar cells. This simple but expandable niche sustains oxygen delivery, and it is co-opted in lung cancer. Science , this issue p. 1118