ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Summary Mammalian brain cells are remarkably diverse in gene expression, anatomy, and function, yet the regulatory DNA landscape underlying this extensive heterogeneity is poorly understood. We carried out a comprehensive assessment of the epigenomes of mouse brain cell types by applying single nucleus DNA methylation sequencing to profile 110,294 nuclei from 45 regions of the mouse cortex, hippocampus, striatum, pallidum, and olfactory areas. We identified 161 cell clusters with distinct spatial locations and projection targets. We constructed taxonomies of these epigenetic types, annotated with signature genes, regulatory elements, and transcription factors. These features indicate the potential regulatory landscape supporting the assignment of putative cell types, and reveal repetitive usage of regulators in excitatory and inhibitory cells for determining subtypes. The DNA methylation landscape of excitatory neurons in the cortex and hippocampus varied continuously along spatial gradients. Using this deep dataset, an artificial neural network model was constructed that precisely predicts single neuron cell-type identity and brain area spatial location. Integration of high-resolution DNA methylomes with single-nucleus chromatin accessibility data allowed prediction of high-confidence enhancer-gene interactions for all identified cell types, which were subsequently validated by cell-type-specific chromatin conformation capture experiments. By combining multi-omic datasets (DNA methylation, chromatin contacts, and open chromatin) from single nuclei and annotating the regulatory genome of hundreds of cell types in the mouse brain, our DNA methylation atlas establishes the epigenetic basis for neuronal diversity and spatial organization throughout the mouse brain.

Abstract Single-cell analyses parse the brain’s billions of neurons into thousands of ‘cell-type’ clusters residing in different brain structures 1 . Many cell types mediate their functions through targeted long-distance projections allowing interactions between specific cell types. Here we used epi-retro-seq 2 to link single-cell epigenomes and cell types to long-distance projections for 33,034 neurons dissected from 32 different regions projecting to 24 different targets (225 source-to-target combinations) across the whole mouse brain. We highlight uses of these data for interrogating principles relating projection types to transcriptomics and epigenomics, and for addressing hypotheses about cell types and connections related to genetics. We provide an overall synthesis with 926 statistical comparisons of discriminability of neurons projecting to each target for every source. We integrate this dataset into the larger BRAIN Initiative Cell Census Network atlas, composed of millions of neurons, to link projection cell types to consensus clusters. Integration with spatial transcriptomics further assigns projection-enriched clusters to smaller source regions than the original dissections. We exemplify this by presenting in-depth analyses of projection neurons from the hypothalamus, thalamus, hindbrain, amygdala and midbrain to provide insights into properties of those cell types, including differentially expressed genes, their associated cis -regulatory elements and transcription-factor-binding motifs, and neurotransmitter use.

Summary In multicellular systems changes to the patterning of gene expression drive modifications in cell function and trait evolution. One striking example is found in more than sixty plant lineages where compartmentation of photosynthesis between cell types allowed the evolution of the efficient C 4 pathway from the ancestral C 3 state. The molecular events enabling this transition are unclear. We used single nuclei sequencing to generate atlases for C 3 rice and C 4 sorghum during photomorphogenesis. Our analysis revealed that initiation of photosynthesis gene expression is conditioned by cell identity. In both species a conserved cistrome defines each cell type, and photosynthesis genes switching expression from mesophyll in rice to bundle sheath in sorghum acquire hallmarks of bundle sheath identity. The sorghum bundle sheath has also acquired gene networks associated with C 3 guard cells. We conclude C 4 photosynthesis is based on rewiring in cis that exapts cell identity networks of C 3 plants.

Abstract Integrating single-cell transcriptomes and epigenomes across diverse cell types can link genes with the cis -regulatory elements (CREs) that control expression. Gene co-expression across cell types confounds simple correlation-based analysis and results in high false prediction rates. We developed a procedure that controls for co-expression between genes and integrates multiple molecular modalities, and used it to identify >10,000 gene-CRE pairs that contribute to gene expression programs in different cell types in the mouse brain.

Late-onset Alzheimer9s disease (LOAD) is typically sporadic, correlated only to advanced age, and has no clear genetic risk factors. The sporadic nature of LOAD presents a challenge to understanding its pathogenesis and mechanisms. Here, we comprehensively investigated the epigenome of LOAD primary entorhinal cortex brain tissues via single-cell multi-omics technologies, simultaneously capturing DNA methylation and 3D chromatin conformation. We identified AD-specific DNA methylation signatures and found they interact with bivalent promoters of AD differentially expressed genes. In addition, we discovered global chromosomal epigenome erosion of 3D genome structure within and across brain cell types. Furthermore, to evaluate whether these age- and disease-dependent molecular signatures could be detected in the in vitro cellular models, we derived induced neurons (iNs) converted directly from AD patients9 fibroblasts and found a set of conserved methylation signatures and shared molecular processes. We developed a machine-learning algorithm to identify robust and consistent methylation signatures of LOAD in vivo primary brain tissues and in vitro fibroblast-derived iNs. The results recapitulate the age- and disease-related epigenetic features in iNs and highlight the power of epigenome and chromatin conformation for identifying molecular mechanisms of neuronal aging and generating biomarkers for LOAD.

Over the last 35 years the soil bacterium Agrobacterium tumefaciens has been the workhorse tool for plant genome engineering. Replacement of native tumor-inducing (Ti) plasmid elements with customizable cassettes enabled insertion of a sequence of interest called Transfer DNA (T-DNA) into any plant genome. Although these T-DNA transfer mechanisms are well understood, detailed understanding of structure and epigenomic status of insertion events was limited by current technologies. To fill this gap, we analyzed transgenic Arabidopsis thaliana lines from three widely used collections (SALK, SAIL and WISC) with two single molecule technologies, optical genome mapping and nanopore sequencing. Optical maps for four randomly selected T-DNA lines revealed between one and seven insertions/rearrangements, and for the first time the actual length of individual transgene insertions from 27 to 236 kilobases. De novo nanopore sequencing-based genome assemblies for two segregating lines resolved T-DNA structures up to 36 kb into the insertions and revealed large-scale T-DNA associated translocations and exchange of chromosome arm ends. The multiple internally rearranged nature of T-DNA arrays made full assembly impossible, even with long nanopore reads. For the current TAIR10 reference genome, nanopore contigs corrected 83% of non-centromeric misassemblies. This unprecedented nucleotide-level definition of T-DNA insertions enabled the mapping of epigenome data. We identify variable small RNA transgene targeting and DNA methylation. SALK_059379 T-DNA insertions were enriched for 24nt siRNAs and contained dense cytosine DNA methylation. Transgene silencing via the RNA-directed DNA methylation pathway was confirmed by in planta assays. In contrast, SAIL_232 T-DNA insertions are predominantly targeted by 21/22nt siRNAs, with DNA methylation and silencing limited to a reporter, but not the resistance gene. With the emergence of genome editing technologies that rely on Agrobacterium for gene delivery, this study provides new insights into the structural impact of engineering plant genomes and demonstrates the utility of state-of-the-art long-range sequencing technologies to rapidly identify unanticipated genomic changes.

SUMMARY Extensive studies of the reference plant Arabidopsis have enabled a deep understanding of tissues throughout development, yet a census of cell types and states throughout development is lacking. Here, we present a single-nucleus transcriptome atlas of seed-to-seed development employing over 800,000 nuclei, encompassing a diverse set of tissues across ten developmental stages, with spatial transcriptomic validation of the dynamic seed and silique. Cross-organ analyses revealed transcriptional conservation of cell types throughout development and heterogeneity within individual cell types influenced by organ-of-origin and developmental timing, including groups of transcription factors, suggesting gatekeeping by transcription factor activation. This atlas provides a resource for the study of cell type specification throughout the development continuum and a reference for stimulus-response and genetic perturbations at the single-cell resolution.

Genetic studies have revealed an essential role for cytosine DNA methylation in mammalian development. However, its spatiotemporal distribution in the developing embryo remains obscure. Here, we profiled the methylome landscapes of 12 mouse tissues/organs at 8 developmental stages spanning from early embryogenesis to birth. In-depth analysis of these spatiotemporal epigenome maps systematically delineated ~2 million methylation variant regions and uncovered widespread methylation dynamics at nearly one-half million tissue-specific enhancers, whose human counterparts were enriched for variants involved in genetic diseases. Strikingly, these predicted regulatory elements predominantly lose CG methylation during fetal development, whereas the trend is reversed after birth. Accumulation of non-CG methylation within gene bodies of key developmental transcription factors coincided with their transcriptional repression during later stages of fetal development. These spatiotemporal epigenomic maps provide a valuable resource for studying gene regulation during mammalian tissue/organ progression and for pinpointing regulatory elements involved in human developmental diseases.

The primary motor cortex (M1) is essential for voluntary fine motor control and is functionally conserved across mammals. Using high-throughput transcriptomic and epigenomic profiling of over 450,000 single nuclei in human, marmoset monkey, and mouse, we demonstrate a broadly conserved cellular makeup of this region, whose similarity mirrors evolutionary distance and is consistent between the transcriptome and epigenome. The core conserved molecular identity of neuronal and non-neuronal types allowed the generation of a cross-species consensus cell type classification and inference of conserved cell type properties across species. Despite overall conservation, many species specializations were apparent, including differences in cell type proportions, gene expression, DNA methylation, and chromatin state. Few cell type marker genes were conserved across species, providing a short list of candidate genes and regulatory mechanisms responsible for conserved features of homologous cell types, such as the GABAergic chandelier cells. This consensus transcriptomic classification allowed the Patch-seq identification of layer 5 (L5) corticospinal Betz cells in non-human primate and human and characterization of their highly specialized physiology and anatomy. These findings highlight the robust molecular underpinnings of cell type diversity in M1 across mammals and point to the genes and regulatory pathways responsible for the functional identity of cell types and their species-specific adaptations.