Abstract Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

SUMMARY Respiratory failure is the leading cause of COVID-19 death and disproportionately impacts adults more than children. Here, we present a large-scale snATAC-seq dataset (90,980 nuclei) of the human lung, generated in parallel with snRNA-seq (46,500 nuclei), from healthy donors of ~30 weeks, ~3 years and ~30 years of age. Focusing on genes implicated in SARS-CoV-2 cell entry, we observed an increase in the proportion of alveolar epithelial cells expressing ACE2 and TMPRSS2 in adult compared to young lungs. Consistent with expression dynamics, 10 chromatin peaks linked to TMPRSS2 exhibited significantly increased activity with age and harbored IRF and STAT binding sites. Furthermore, we identified 14 common sequence variants in age-increasing peaks with predicted regulatory function, including several associated with respiratory traits and TMPRSS2 expression. Our findings reveal a plausible contributor to why children are more resistant to COVID-19 and provide an epigenomic basis for transferring this resistance to older populations.

ABSTRACT The mammalian cerebrum performs high level sensory, motor control and cognitive functions through highly specialized cortical networks and subcortical nuclei. Recent surveys of mouse and human brains with single cell transcriptomics 1–3 and high-throughput imaging technologies 4,5 have uncovered hundreds of neuronal cell types and a variety of non-neuronal cell types distributed in different brain regions, but the cell-type-specific transcriptional regulatory programs responsible for the unique identity and function of each brain cell type have yet to be elucidated. Here, we probe the accessible chromatin in >800,000 individual nuclei from 45 regions spanning the adult mouse isocortex, olfactory bulb, hippocampus and cerebral nuclei, and use the resulting data to define 491,818 candidate cis regulatory DNA elements in 160 distinct sub-types. We link a significant fraction of them to putative target genes expressed in diverse cerebral cell types and uncover transcriptional regulators involved in a broad spectrum of molecular and cellular pathways in different neuronal and glial cell populations. Our results provide a foundation for comprehensive analysis of gene regulatory programs of the mammalian brain and assist in the interpretation of non-coding risk variants associated with various neurological disease and traits in humans. To facilitate the dissemination of information, we have set up a web portal ( http://catlas.org/mousebrain ).

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.

Abstract The human brain contains an extraordinarily diverse set of neuronal and glial cell types. Recent advances in single cell transcriptomics have begun to delineate the cellular heterogeneity in different brain regions, but the transcriptional regulatory programs responsible for the identity and function of each brain cell type remain to be defined. Here, we carried out single nucleus ATAC-seq analysis to probe the open chromatin landscape from over 1.1 million cells in 42 brain regions of three neurotypical adult donors. Integrative analysis of the resulting data identified 107 distinct cell types and revealed the cell-type-specific usage of 544,735 candidate cis-regulatory DNA elements (cCREs) in the human genome. Nearly 1/3 of them displayed sequence conservation as well as chromatin accessibility in the mouse brain. On the other hand, nearly 40% cCREs were human specific, with chromatin accessibility associated with species-restricted gene expression. Interestingly, these human specific cCREs were enriched for distinct families of retrotransposable elements, which displayed cell-type-specific chromatin accessibility. We uncovered strong associations between specific brain cell types and neuropsychiatric disorders. We futher developed deep learning models to predict regulatory function of non-coding disease risk variants.

Summary paragraph Different cell types are determined by cell lineage-specific transcriptional programmes and by epigenetic regulation of chromatin 1, 2 . Yet, the functional relationships between dynamically expressed transcription factors (TFs) and chromatin changes guiding lineage specification often remain elusive 3 . First mammalian embryonic lineages segregate when pluripotent cells become committed to either Mesoderm and Endoderm (ME) or Neuroectoderm (NE). NE forms by default in the absence of signalling-induced ME specification 4, 5 , resulting from global asymmetries in chromatin state favouring NE gene programme activation as recently demonstrated 6–8 . In this study, we unravel the initiation of ME lineage specification by the genome-wide, de novo formation of chromatin accessibility at ME enhancers that epigenetically deflects pluripotent cells from default NE differentiation. The Tbx TF Eomes , previously considered a transcriptional regulator, acts as global chromatin organizer that establishes ME lineage competence. EOMES recruits the canonical ATP-dependent chromatin remodelling complex SWI/SNF to broadly generate the chromatin- accessible ME enhancer landscape. This lineage competence is generated independently of ME gene transcription that fully depends on ME-inducing signalling pathways including Wnts and TGFβ/NODAL 9 . This study thus resolves the successive steps of ME lineage differentiation by globally establishing chromatin accessibility for lineage competence, followed by signal-encoded transcriptional regulation of different ME lineage-defining gene programmes.

Embryogenesis requires epigenetic information that allows each cell to respond appropriately to developmental cues. Histone modifications are core components of a cells epigenome, giving rise to chromatin states that modulate genome function. Here, we systematically profile histone modifications in a diverse panel of mouse tissues at 8 developmental stages from 10.5 days post conception until birth, performing a total of 1,128 ChIP-seq assays across 72 distinct tissue-stages. We combine these histone modification profiles into a unified set of chromatin state annotations, and track their activity across developmental time and space. Through integrative analysis we identify dynamic enhancers, reveal key transcriptional regulators, and characterize the role of chromatin-based repression in developmental gene regulation. We also leverage these data to link enhancers to putative target genes, revealing connections between coding and non-coding sequence variation in disease etiology. Our study provides a compendium of resources for biomedical researchers, and achieves the most comprehensive view of embryonic chromatin states to date.

Genome-wide analysis of chromatin accessibility in primary tissues has uncovered millions of candidate regulatory sequences in the human and mouse genomes. However, the heterogeneity of biological samples used in previous studies has prevented a precise understanding of the dynamic chromatin landscape in specific cell types. Here, we show that analysis of the transposase-accessible-chromatin in single nuclei isolated from frozen tissue samples can resolve cellular heterogeneity and delineate transcriptional regulatory sequences in the constituent cell types. Our strategy is based on a combinatorial barcoding assisted single cell assay for transposase-accessible chromatin and is optimized for nuclei from flash-frozen primary tissue samples (snATAC-seq). We used this method to examine the mouse forebrain at seven development stages and in adults. From snATAC-seq profiles of more than 15,000 high quality nuclei, we identify 20 distinct cell populations corresponding to major neuronal and non-neuronal cell-types in foetal and adult forebrains. We further define cell-type specific cis regulatory sequences and infer potential master transcriptional regulators of each cell population. Our results demonstrate the feasibility of a general approach for identifying cell-type-specific cis regulatory sequences in heterogeneous tissue samples, and provide a rich resource for understanding forebrain development in mammals.

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.