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.

The recent advent of methods for high-throughput single-cell molecular profiling has catalyzed a growing sense in the scientific community that the time is ripe to complete the 150-year-old effort to identify all cell types in the human body. The Human Cell Atlas Project is an international collaborative effort that aims to define all human cell types in terms of distinctive molecular profiles (such as gene expression profiles) and to connect this information with classical cellular descriptions (such as location and morphology). An open comprehensive reference map of the molecular state of cells in healthy human tissues would propel the systematic study of physiological states, developmental trajectories, regulatory circuitry and interactions of cells, and also provide a framework for understanding cellular dysregulation in human disease. Here we describe the idea, its potential utility, early proofs-of-concept, and some design considerations for the Human Cell Atlas, including a commitment to open data, code, and community.

Human lungs enable efficient gas exchange and form an interface with the environment, which depends on mucosal immunity for protection against infectious agents. Tightly controlled interactions between structural and immune cells are required to maintain lung homeostasis. Here, we use single-cell transcriptomics to chart the cellular landscape of upper and lower airways and lung parenchyma in healthy lungs, and lower airways in asthmatic lungs. We report location-dependent airway epithelial cell states and a novel subset of tissue-resident memory T cells. In the lower airways of patients with asthma, mucous cell hyperplasia is shown to stem from a novel mucous ciliated cell state, as well as goblet cell hyperplasia. We report the presence of pathogenic effector type 2 helper T cells (TH2) in asthmatic lungs and find evidence for type 2 cytokines in maintaining the altered epithelial cell states. Unbiased analysis of cell–cell interactions identifies a shift from airway structural cell communication in healthy lungs to a TH2-dominated interactome in asthmatic lungs. Single-cell transcriptomics reveals immune and stromal compartment remodeling, including the enrichment of unique populations of epithelial cells and CD4+ T cells, in asthmatic lungs

Temporal resolution of cellular features associated with a severe COVID-19 disease trajectory is needed for understanding skewed immune responses and defining predictors of outcome. Here, we performed a longitudinal multi-omics study using a two-center cohort of 14 patients. We analyzed the bulk transcriptome, bulk DNA methylome, and single-cell transcriptome (>358,000 cells, including BCR profiles) of peripheral blood samples harvested from up to 5 time points. Validation was performed in two independent cohorts of COVID-19 patients. Severe COVID-19 was characterized by an increase of proliferating, metabolically hyperactive plasmablasts. Coinciding with critical illness, we also identified an expansion of interferon-activated circulating megakaryocytes and increased erythropoiesis with features of hypoxic signaling. Megakaryocyte- and erythroid-cell-derived co-expression modules were predictive of fatal disease outcome. The study demonstrates broad cellular effects of SARS-CoV-2 infection beyond adaptive immune cells and provides an entry point toward developing biomarkers and targeted treatments of patients with COVID-19.

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 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 The current COVID-19 pandemic is caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and has an enormous impact on human health and economy. In search for therapeutic options, researchers have proposed resveratrol, a food supplement with known antiviral, anti-inflammatory and anti-oxidant properties as an advantageous antiviral therapy for SARS-CoV-2 infection. Here, we provide evidence that both resveratrol and its metabolically more stable structural analog, pterostilbene, exhibit potent antiviral properties against SARS-CoV-2 in vitro . Resveratrol and pterostilbene showed antiviral activity in African green monkey kidney cells and in human primary bronchial epithelial cells cultured in an air-liquid interface system. Both compounds actively inhibit virus replication within infected cells as reduced virus progeny production was observed when the compound was added at post-inoculation conditions. Without replenishment of the compound, antiviral activity was observed up to roughly 5 rounds of replication, demonstrating the long-lasting effect of these compounds. Collectively, our data indicate that resveratrol and pterostilbene are promising antiviral compounds to treat SARS-CoV-2 infection. Because these results represent laboratory findings in cells, we advocate evaluation of these compounds in clinical trials before statements are made whether or not these drugs are advantageous for COVID-19 treatment.

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 Antiviral therapies are urgently needed to treat and limit the development of severe COVID-19 disease. Ivermectin, a broad-spectrum anti-parasitic agent, has been shown to have anti-SARS-CoV-2 activity in Vero cells at a concentration of 5 µM. These in vitro results triggered the investigation of ivermectin as a treatment option to alleviate COVID-19 disease. In April 2021, the World Health Organization stated, however, the following: “the current evidence on the use of ivermectin to treat COVID-19 patients is inconclusive”. It is speculated that the in vivo concentration of ivermectin is too low to exert a strong antiviral effect. Here, we performed a head-to head comparison of the antiviral activity of ivermectin and a structurally related, but metabolically more stable, moxidectin in multiple in vitro models of SARS-CoV-2 infection, including physiologically relevant human respiratory epithelial cells. Both moxidectin and ivermectin exhibited antiviral activity in Vero E6 cells. Subsequent experiments revealed that the compounds predominantly act on a step after virus cell entry. Surprisingly, however, in human airway-derived cell models, moxidectin and ivermectin failed to inhibit SARS-CoV-2 infection, even at a concentration of 10 µM. These disappointing results calls for a word of caution in the interpretation of anti-SARS-CoV-2 activity of drugs solely based on Vero cells. Altogether, these findings suggest that, even by using a high-dose regimen of ivermectin or switching to another drug in the same class are unlikely to be useful for treatment against SARS-CoV-2 in humans.

Abstract Background IL-33 can activate Th2 cells after binding to the IL-1RL1/IL-1RAcP receptor. However, it is unknown whether disease or genetic make-up regulate IL33 responsiveness of Th2 cells. Objective We investigated whether IL-1RL1 asthma risk haplotypes or asthma status influence IL-33-induced Th2 transcriptomic responses in vitro . Methods CD4 + T cells from 16 asthma patients and matched controls, stratified for IL-1RL1 haplotype, were differentiated into Th2 effector cells, and re-stimulated in the presence or absence of IL-33, followed by RNA-sequencing and differential gene expression analysis. Association of IL-33-induced gene signatures with clinical parameters was tested in U-BIOPRED sputum transcriptomic data. Results Presence of IL-33 during Th2 cell re-stimulation results in extensive changes in gene expression, affecting a large proportion of the activated Th2 cell transcriptome. IL-33 induced more genes in Th2 cells from donors with asthma than in controls. However, the IL-33 effects were strongest in Th2 cells carrying the IL-1RL1 risk haplotype, as evidenced by a significantly increased effect size compared to controls. A gene signature of IL-33 induced genes in Th2 cells showed a strong positive correlation with macrophage counts and pauci-granulocytic asthma in sputum transcriptomic data from the U-BIOPRED study. Conclusion The risk IL-1RL1 haplotype strongly increases the sensitivity of Th2 effector cell for IL-33-mediated regulation of gene expression, while asthma status has an independent effect. The IL-33 gene signature was not associated with type-2 high or eosinophilic asthma in sputum transcriptomic data from U-BIOPRED. Clinical Outcome Cellular sensitivity to IL-33 depends on genetic makeup and asthma disease status. Capsule summary IL-33 strongly alters gene expression of activated Th2 cells, dependent on asthma disease status and IL-1RL1 risk haplotype. IL-33 driven gene signature in sputum transcriptomic data identifies pauci-granulocytic asthma.