Abstract Single-cell technologies are becoming increasingly widespread and have been revolutionizing our understanding of cell identity, state, diversity and function. However, current platforms can be slow to apply to large-scale studies and resource-limited clinical arenas due to a variety of reasons including cost, infrastructure, sample quality and requirements. Here we report DNBelab C4 (C4), a negative pressure orchestrated, portable and cost-effective device that enables high-throughput single-cell transcriptional profiling. C4 system can efficiently allow discrimination of species-specific cells at high resolution and dissect tissue heterogeneity in different organs, such as murine lung and cerebral cortex. Finally, we show that the C4 system is comparable to existing platforms but has huge benefits in cost and portability and, as such, it will be of great interest for the wider scientific community.

Abstract Global profile of gene expression at single-cell resolution remains to be determined for primates. Using a recently developed technology (“Stereo-seq”), we have obtained a comprehensive single-cell spatial transcriptome map at the whole-brain level for cynomolgus monkeys, with ∼600 genes per cell for 10 μm-thick coronal sections (up to 15 cm 2 in size). Large-scale single-nucleus RNA-seq analysis for ∼1 million cells helped to identify cell types corresponding to Stereo-seq gene expression profiles, providing a 3-D cell type atlas of the monkey brain. Quantitative analysis of Stereo-seq data revealed molecular fingerprints that mark distinct neocortical layers and subregions, as well as domains within subcortical structures including hippocampus, thalamus, striatum, cerebellum, hypothalamus and claustrum. Striking whole-brain topography and coordinated patterns were found in the expression of genes encoding receptors and transporters for neurotransmitters and neuromodulators. These results pave the way for cellular and molecular understanding of organizing principles of the primate brain.

Abstract Solid tumors are complex ecosystems, and heterogeneity is the major challenge for overcoming tumor relapse and metastasis. Uncovering the spatial heterogeneity of cell types and functional states in tumors is essential for developing effective treatment, especially in invasive fronts of tumor, the most active region for tumor cells infiltration and invasion. We firstly used SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq) with a nanoscale resolution to characterize the tumor microenvironment of intrahepatic cholangiocarcinoma (ICC). Enrichment of distinctive immune cells, suppressive immune microenvironment and metabolic reprogramming of tumor cells were identified in the 500µm-wide zone centered bilaterally on the tumor boundary, namely invasive fronts of tumor. Furthermore, we found the damaged states of hepatocytes with overexpression of Serum Amyloid A (SAA) in invasive fronts, recruiting macrophages for facilitating further tumor invasion, and thus resulting in a worse prognosis. We also confirmed these findings in hepatocellular carcinoma and other liver metastatic cancers. Our work highlights the remarkable potential of high-resolution-spatially resolved transcriptomic approaches to provide meaningful biological insights for comprehensively dissecting the tumor ecosystem and guiding the development of novel therapeutic strategies for solid tumors.

Abstract Single cell approaches have increased our knowledge about the cell type composition of the non-human primate (NHP), but a detailed characterization of area-specific regulatory features remains outstanding. We generated single-cell chromatin accessibility (single-cell ATAC) and transcriptomic data of 358,237 cells from prefrontal cortex (PFC), primary motor cortex (M1) and primary visual cortex (V1) of adult cynomolgus monkey brain, and integrated this dataset with Stereo-seq (Spatio-Temporal Enhanced REsolution Omics-sequencing) of the corresponding cortical areas to assign topographic information to molecular states. We identified area-specific chromatin accessible sites and their targeted genes, including the cell type-specific transcriptional regulatory network associated with excitatory neurons heterogeneity. We reveal calcium ion transport and axon guidance genes related to specialized functions of PFC and M1, identified the similarities and differences between adult macaque and human oligodendrocyte trajectories, and mapped the genetic variants and gene perturbations of human diseases to NHP cortical cells. This resource establishes a transcriptomic and chromatin accessibility combinatory regulatory landscape at a single-cell and spatially resolved resolution in NHP cortex.

Abstract Effective treatment of advanced invasive cervical cancer remains challenging nowadays. Herein, single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) and SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq) technology are used to investigate the immunological microenvironment of cervical squamous cell carcinoma (CSCC), a major type of cervical cancers. The expression levels of most immune checkpoint genes in tumor and inflammation areas of CSCC were not significantly higher than those in the non-cancer samples except for LGALS9 and IDO1 . Stronger signals of CD56+ NK cells and immature dendritic cells are found in the hypermetabolic tumor areas, while more eosinophils, immature B cells, and Treg cells are found in the hypometabolic tumor areas. Moreover, a cluster of cancer-associated fibroblasts (CAFs) are identified around some tumors, which highly expressed ACTA2, POSTN, ITGB4, and FAP . The CAFs might support the growth and metastasis of tumors by inhibiting lymphocyte infiltration and remodeling the tumor extracellular matrix. Furthermore, CAFs are associated with poorer survival probability in CSCC patients and might be present in a small fraction (∼20%) of advanced cancer patients. Collectively, these findings might enhance understanding of the CSCC immunological microenvironment and shed some light on the treatment of advanced CSCC.

Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. By applying our integrated approach to multiple cancer cell lines, we discovered genomic loci with coordinated epigenomic and transcriptomic variability. In addition, decomposition of combined single-cell chromatin accessibility and gene expression features by a non-negative matrix factorization (NMF) based method identified signatures reflecting cell type specificity and revealed a profound regulatory relationship between the two layers of omics. We further characterized subpopulations associated with distinct regulatory patterns within patient-derived xenograft models and discovered epigenomic and transcriptomic clues that drive tumor heterogeneity. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of "single cell states" and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

SUMMARY Brain regeneration requires a precise coordination of complex responses in a time- and region-specific manner. Identifying key cell types and molecules that direct brain regeneration would provide potential targets for the advance of regenerative medicine. However, progress in the field has been hampered largely due to limited regeneration capacity of the mammalian brain and understanding of the regeneration process at both cellular and molecular level. Here, using axolotl brain with extrodinary regeneration ability upon injury, and the SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq), we reconstructed the first architecture of axolotl telencephalon with gene expression profiling at single-cell resolution, and fine cell dynamics maps throughout development and regeneration. Intriguingly, we discovered a marked heterogeneity of radial glial cell (RGC) types with distinct behaviors. Of note, one subtype of RGCs is activated since early regeneration stages and proliferates while other RGCs remain dormant. Such RGC subtype appears to be the major cell population involved in early wound healing response and gradually covers the injured area before presumably transformed into the lost neurons. Altogether, our work systematically decoded the complex cellular and molecular dynamics of axolotl telencephalon in development and regeneration, laying the foundation for studying the regulatory mechanism of brain regeneration in the future.

The Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (ATAC-seq) is a fundamental epigenomics approach and has been widely used in profiling the chromatin accessibility dynamics in multiple species. A comprehensive reference of ATAC-seq datasets for mammalian tissues is important for the understanding of regulatory specificity and developmental abnormality caused by genetic or environmental alterations. Here, we report an adult mouse ATAC-seq atlas by producing a total of 66 ATAC-seq profiles from 20 primary tissues of both male and female mice. The ATAC-seq read enrichment, fragment size distribution, and reproducibility between replicates demonstrated the high quality of the full dataset. We identified a total of 296,574 accessible elements, of which 26,916 showed tissue-specific accessibility. Further, we identified key transcription factors specific to distinct tissues and found that the enrichment of each motif reflects the developmental similarities across tissues. In summary, our study provides an important resource on the mouse epigenome and will be of great importance to various scientific disciplines such as development, cell reprogramming, and genetic disease.

SUMMARY Drosophila has long been a successful model organism in multiple fields such as genetics and developmental biology. Drosophila genome is relatively smaller and less redundant, yet largely conserved with mammals, making it a productive model in studies of embryogenesis, cell signaling, disease mechanisms, etc. Spatial gene expression pattern is critical for understanding of complex signaling pathways and cell-cell interactions, whereas temporal gene expression changes need to be tracked during highly dynamic activities such as tissue development and disease progression. Systematic studies in Drosophila as a whole are still impeded by lack of these spatiotemporal transcriptomic information. Drosophila embryos and tissues are of relatively small size, limiting the application of current technologies to comprehensively resolve their spatiotemporal gene expression patterns. Here, utilizing SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq), we dissected the spatiotemporal transcriptomic changes of developing Drosophila with high resolution and sensitivity. Our data recapitulated the spatial transcriptomes of embryonic and larval development in Drosophila . With these data, we identified known and previously undetected subregions in several tissues during development, and revealed known and potential gene regulatory networks of transcription factors within their topographic background. We further demonstrated that Stereo-seq data can be used for 3D reconstruction of Drosophila embryo spatial transcriptomes. Our data provides Drosophila research community with useful resources of spatiotemporally resolved transcriptomic information across developmental stages.

SUMMARY Spatially resolved transcriptomic technologies are promising tools to study cell fate decisions in a physical microenvironment, which is fundamental for enhancing our knowledge of mammalian development. However, the imbalance between resolution, transcript capture and field of view of current methodologies precludes their systematic application to analyze relatively large and three-dimensional mid- and late-gestation mammalian embryos. Here, we combined DNA nanoball (DNB) patterned arrays and tissue RNA capture to create SpaTial Enhanced REsolution Omics-sequencing (Stereo-seq). This approach allows transcriptomic profiling of large histological sections with high resolution and sensitivity. We have applied Stereo-seq to study the kinetics and directionality of transcriptional variation in a time course of mouse organogenesis. We used this information to gain insight into the molecular basis of regional specification, neuronal migration and differentiation in the developing brain. Furthermore, we mapped the expression of a panel of developmental disease-related loci on our global transcriptomic maps to define the spatiotemporal windows of tissue vulnerability. Our panoramic atlas constitutes an essential resource to investigate longstanding questions concerning normal and abnormal mammalian development.