Abstract Single-cell technologies have transformed our understanding of human tissues. Yet, studies typically capture only a limited number of donors and disagree on cell type definitions. Integrating many single-cell datasets can address these limitations of individual studies and capture the variability present in the population. Here we present the integrated Human Lung Cell Atlas (HLCA), combining 49 datasets of the human respiratory system into a single atlas spanning over 2.4 million cells from 486 individuals. The HLCA presents a consensus cell type re-annotation with matching marker genes, including annotations of rare and previously undescribed cell types. Leveraging the number and diversity of individuals in the HLCA, we identify gene modules that are associated with demographic covariates such as age, sex and body mass index, as well as gene modules changing expression along the proximal-to-distal axis of the bronchial tree. Mapping new data to the HLCA enables rapid data annotation and interpretation. Using the HLCA as a reference for the study of disease, we identify shared cell states across multiple lung diseases, including SPP1 + profibrotic monocyte-derived macrophages in COVID-19, pulmonary fibrosis and lung carcinoma. Overall, the HLCA serves as an example for the development and use of large-scale, cross-dataset organ atlases within the Human Cell Atlas.

Abstract Fibroblast to myofibroblast conversion is a major driver of tissue remodeling in organ fibrosis. Several distinct lineages of fibroblasts support homeostatic tissue niche functions, yet, specific activation states and phenotypic trajectories of fibroblasts during injury and repair have remained unclear. Here, we combined spatial transcriptomics, longitudinal single-cell RNA-seq and genetic lineage tracing to study fibroblast fates during mouse lung regeneration. We discovered a transitional fibroblast state characterized by high Sfrp1 expression, derived from both Tcf21-Cre lineage positive and negative cells. Sfrp1+ cells appeared early after injury in peribronchiolar, adventitial and alveolar locations and preceded the emergence of myofibroblasts. We identified lineage specific paracrine signals and inferred converging transcriptional trajectories towards Sfrp1+ transitional fibroblasts and Cthrc1+ myofibroblasts. Tgfβ1 downregulated Sfrp1 in non-invasive transitional cells and induced their switch to an invasive Cthrc1+ myofibroblast identity. Finally, using loss of function studies we showed that autocrine Sfrp1 directly inhibits fibroblast invasion by regulating the RhoA pathway. In summary, our study reveals the convergence of spatially and transcriptionally distinct fibroblast lineages into transcriptionally uniform myofibroblasts and identifies Sfrp1 as an autocrine inhibitor of fibroblast invasion during early stages of fibrogenesis.

ABSTRACT Pulmonary fibrosis develops as a consequence of failed regeneration after injury. Analyzing mechanisms of regeneration and fibrogenesis directly in human tissue has been hampered by the lack of organotypic models and analytical techniques. In this work, we coupled ex vivo cytokine and drug perturbations of human precision-cut lung slices (hPCLS) with scRNAseq and induced a multi-lineage circuit of fibrogenic cell states in hPCLS, which we show to be highly similar to the in vivo cell circuit in a multi-cohort lung cell atlas from pulmonary fibrosis patients. Using micro-CT staged patient tissues, we characterized the appearance and interaction of myofibroblasts, an ectopic endothelial cell state and basaloid epithelial cells in the thickened alveolar septum of early-stage lung fibrosis. Induction of these states in the ex vivo hPCLS model provides evidence that the basaloid cell state was derived from alveolar type-2 cells, whereas the ectopic endothelial cell state emerged from capillary cell plasticity. Cell-cell communication routes in patients were largely conserved in the hPCLS model and anti-fibrotic drug treatments showed highly cell type specific effects. Our work provides an experimental framework for perturbational single cell genomics directly in human lung tissue that enables analysis of tissue homeostasis, regeneration and pathology. We further demonstrate that hPCLS offers novel avenues for scalable, high-resolution drug testing to accelerate anti-fibrotic drug development and translation.

Abstract Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) is a lethal and chronic lung disease characterized by aberrant intercellular communication, increased extracellular matrix (ECM) deposition, and destruction of functional lung tissue. Extracellular vesicles (EVs) accumulate within the lung in IPF, but their cargo and biological effects remain unclear. Here, we provide the entire the proteome of EV and non-EV fraction during pulmonary fibrosis, and functionally characterize their contribution to fibrosis. EVs were isolated by differential ultracentrifugation of bronchoalveolar lavage fluid (BALF) collected from mice challenged with bleomycin (or PBS as control) or culture supernatants from primary mouse lung fibroblasts. EVs were characterized by nanoparticle tracking analysis, Western Blotting, and quantitative mass spectrometry to define their proteome. EVs accumulation peaked at 14 days post-bleomycin instillation and correlated with decreased lung function. Label-free proteomics identified 107 proteins specific to fibrotic BALF-EVs. This signature was associated with wound healing, extracellular matrix organization, and cell motility. BALF-EVs from fibrotic lungs promoted fibrogenesis, including induction of ECM proteins in precision cut lung slices ex vivo and impaired alveolar epithelial cell stem cell function. Deconvolution using single cell RNA sequencing datasets revealed that fibroblasts are the major cellular source of BALF-EVs. EVs from fibroblasts were significantly enriched in Secreted Frizzled Related Protein 1 (SFRP1). In the lungs of patients with IPF, SFRP1 was significantly increased in mesenchymal cells. Sfrp1 deficiency reduced the ability of fibroblast-derived EVs to potentiate bleomycin-induced lung fibrosis in vivo and led to a reduction in fibrosis marker gene expression. In sum, EVs carry specific protein cargos, such as SFRP1, to contribute to organ remodeling during fibrosis. Our data identified EVs transporting SFRP1 as a potential therapeutic target for IPF.

Despite advancements in antifibrotic therapy, idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) remains a medical condition with unmet needs. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has enhanced our understanding of IPF but lacks the cellular tissue context and gene expression localization that spatial transcriptomics provides. To bridge this gap, we profiled IPF and control patient lung tissue using spatial transcriptomics, integrating the data with an IPF scRNA-seq atlas. We identified three disease-associated niches with unique cellular compositions and localizations. These include a fibrotic niche, consisting of myofibroblasts and aberrant basaloid cells, located around airways and adjacent to an airway macrophage niche in the lumen, containing SPP1

An unmet medical need persists in Idiopathic Pulmonary fibrosis (IPF), for which treatments additional to anti-fibrotic therapy are needed. Single cell RNA sequencing (scRNA-seq) has advanced our understanding of IPF with cell type-specific insights but lacks cellular tissue context. Spatial transcriptomics addresses this by providing spatially resolved gene expression, enabling gene and cell type localization within the tissue environment. We profiled IPF and control patient lung tissue sections using spatial transcriptomics and combined the data with an atlas of integrated IPF scRNA-seq datasets. Through computational analysis, we identified three disease-associated pathologic niches with unique cellular composition / localization and analyzed their cell-cell communication. We identified the Fibrotic niche, comprising Myofibroblasts and Aberrant Basaloid cells, preferentially located around airways and close to the Airway Macrophage niche in the lumen, containing SPP1+ Macrophages. We also identified the Immune niche, distinct foci of lymphoid cells in fibrotic tissue, surrounded by remodeled endothelial vessels.

The proteasome is the main proteolytic system for targeted protein degradation in the cell. Its function is fine-tuned according to cellular needs. Regulation of proteasome function by mitochondrial metabolism, however, is unknown. Here, we demonstrate that mitochondrial dysfunction reduces the assembly and activity of the 26S proteasome in the absence of oxidative stress. Impaired respiratory complex I function leads to metabolic reprogramming of the Krebs cycle and deficiency in aspartate. Aspartate supplementation activates assembly and activity of 26S proteasomes via transcriptional activation of the proteasome assembly factors p28 and Rpn6. This metabolic adaptation of 26S proteasome function involves sensing of aspartate via the mTORC1 pathway. Metformin treatment of primary human cells similarly reduced assembly and activity of 26S proteasome complexes, which was rescued by supplementation of aspartate or pyruvate. Our study uncovers a fundamental novel mechanism of how mitochondrial metabolism adjusts protein degradation by the proteasome. It thus unravels unexpected consequences of defective mitochondrial metabolism in disease or drug-targeted mitochondrial reprogramming for proteasomal protein degradation in the cell. As metabolic inhibition of proteasome function can be alleviated by treatment with aspartate or pyruvate, our results will also have therapeutic implications.

Abstract Feedback connections between tissue stiffness and cellular contractile forces can instruct cell identity and activity via a process referred to as mechanosensing. Specific phosphoproteome changes during mechanosensing are poorly characterized. In this work, we chart the global phosphoproteome dynamics of primary human lung fibroblasts sensing the stiffness of injury relevant fibronectin coated Poly(dimethylsiloxane) substrates. We discovered a key signaling threshold at a Young’s modulus of eight kPa stiffness, above which cells activated a large number of pathways including RhoA, CK2A1, PKA, AMPK, AKT1, and Hippo-YAP1/TAZ mediated signaling. Time-resolved phosphoproteomics of cell spreading on stiff substrates revealed the temporal dynamics of these stiffness-sensitive signaling pathways. ECM substrate stiffness above eight kPA induced fibroblast contractility, cytoskeletal rearrangements, ECM secretion, and a fibroblast to myofibroblast transition. Our data indicate that phosphorylation of the transcriptional regulator NFATC4 at S213/S217 enhances myofibroblast activity, which is the key hallmark of fibrotic diseases. NFATC4 knock down cells display reduced stiffness induced collagen secretion, cell contractility, nuclear deformation and invasion, suggesting NFATC4 as a novel target for antifibrotic therapy. Synopsis How tissue stiffness regulates identity and activity of tissue fibroblasts is unclear. Mass spectrometry based analysis of tissue stiffness dependent phosphoproteome changes reveals how primary lung fibroblasts sense the mechanical properties of their environment and identifies NFATC4 as a novel regulator of the stiffness dependent transition of fibroblasts to ECM secreting myofibroblasts. Mass spectrometry analysis reveals the signaling landscape of fibroblast mechanosensing Time-resolved phosphoproteomic analysis of cell spreading on fibronectin NFATC4 regulates myofibroblast collagen secretion, cell contractility and invasion

Lung injury activates quiescent stem and progenitor cells to regenerate alveolar structures. The sequence and coordination of transcriptional programs during this process has largely remained elusive. Using single cell RNA-seq, we first generated a whole-organ bird’s-eye view on cellular dynamics and cell-cell communication networks during mouse lung regeneration from ~30,000 cells at six timepoints. We discovered an injury-specific progenitor cell state characterized by Krt8 in flat epithelial cells covering alveolar surfaces. The number of these cells peaked during fibrogenesis in independent mouse models, as well as in human acute lung injury and fibrosis. Krt8+ alveolar progenitors featured a highly distinct connectome of receptor-ligand pairs with endothelial cells, fibroblasts, and macrophages. To ‘sky dive’ into epithelial differentiation dynamics, we sequenced >30,000 sorted epithelial cells at 18 timepoints and computationally derived cell state trajectories that were validated by lineage tracing genetic reporter mice. Airway stem cells within the club cell lineage and alveolar type-2 cells underwent transcriptional convergence onto the same Krt8+ progenitor cell state, which later resolved by terminal differentiation into alveolar type-1 cells. We derived distinct transcriptional regulators as key switch points in this process and show that induction of NFkB, p53, and hypoxia driven gene expression programs precede a Sox4, Ctnnb1, and Wwtr1 driven commitment towards alveolar type-1 cell fate. We show that epithelial cell plasticity can induce non-gradual transdifferentiation, involving intermediate progenitor cell states that may persist and promote disease if checkpoint signals for terminal differentiation are perturbed.

Abstract Nanomaterials emerged as boundless resource of innovation, but their shape and biopersistence related to respiratory toxicology raise longstanding concerns. The development of predictive safety tests for inhaled nanomaterials, however, is hampered by limited understanding of cell type-specific responses. To advance this knowledge, we used single-cell RNA-sequencing to longitudinally analyze cellular perturbations in mice, caused by three carbonaceous nanomaterials of different shape and toxicity upon pulmonary delivery. Focusing on nanomaterial-specific dynamics of lung inflammation, we found persistent depletion of alveolar macrophages by fiber-shaped nanotubes. While only little involvement was observed for alveolar macrophages during the initiation phase, they emerged, together with infiltrating monocyte-derived macrophages, as decisive factors in shifting inflammation towards resolution for spherical nanomaterials, or chronic inflammation for fibers. Fibroblasts, central for fibrosis, sensed macrophage and epithelial signals and emerged as orchestrators of nanomaterial-induced inflammation. Thus, the mode of actions identified in this study will significantly inspire the precision of future in vitro testing. Graphical abstract