Spatially resolved transcriptomic technologies are promising tools to study complex biological processes such as mammalian embryogenesis. However, the imbalance between resolution, gene capture, and field of view of current methodologies precludes their systematic application to analyze relatively large and three-dimensional mid- and late-gestation embryos. Here, we combined DNA nanoball (DNB)-patterned arrays and in situ RNA capture to create spatial enhanced resolution omics-sequencing (Stereo-seq). We applied Stereo-seq to generate the mouse organogenesis spatiotemporal transcriptomic atlas (MOSTA), which maps with single-cell resolution and high sensitivity the kinetics and directionality of transcriptional variation during mouse organogenesis. We used this information to gain insight into the molecular basis of spatial cell heterogeneity and cell fate specification in developing tissues such as the dorsal midbrain. Our panoramic atlas will facilitate in-depth investigation of longstanding questions concerning normal and abnormal mammalian development.

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 Stopping COVID-19 is a priority worldwide. Understanding which cell types are targeted by SARS-CoV-2 virus, whether interspecies differences exist, and how variations in cell state influence viral entry is fundamental for accelerating therapeutic and preventative approaches. In this endeavor, we profiled the transcriptome of nine tissues from a Macaca fascicularis monkey at single-cell resolution. The distribution of SARS-CoV-2 facilitators, ACE2 and TMRPSS2, in different cell subtypes showed substantial heterogeneity across lung, kidney, and liver. Through co-expression analysis, we identified immunomodulatory proteins such as IDO2 and ANPEP as potential SARS-CoV-2 targets responsible for immune cell exhaustion. Furthermore, single-cell chromatin accessibility analysis of the kidney unveiled a plausible link between IL6-mediated innate immune responses aiming to protect tissue and enhanced ACE2 expression that could promote viral entry. Our work constitutes a unique resource for understanding the physiology and pathophysiology of two phylogenetically close species, which might guide in the development of therapeutic approaches in humans. Bullet points We generated a single-cell transcriptome atlas of 9 monkey tissues to study COVID-19. ACE2 + TMPRSS2 + epithelial cells of lung, kidney and liver are targets for SARS-CoV-2. ACE2 correlation analysis shows IDO2 and ANPEP as potential therapeutic opportunities. We unveil a link between IL6, STAT transcription factors and boosted SARS-CoV-2 entry.

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.

Abstract 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. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis -regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generated the first single cell integrated maps of chromatin accessibility and transcriptome in human pre-implantation embryos and demonstrated the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states during embryo development. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of “single cell state” and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

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.

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.

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.

Summary Over 320 million years of evolution, amniotes have developed complex brains and cognition through largely unexplored genetic and gene expression mechanisms. We created a comprehensive single-cell atlas of over 1.3 million cells from the telencephalon and cerebellum of turtles, zebra finches, pigeons, mice, and macaques, employing single-cell resolution spatial transcriptomics to validate gene expression patterns across species. Our study revealed significant species-specific variations in cell types, highlighting their conservation and diversification in evolution. We found pronounced differences in telencephalon excitatory neurons (EX) and cerebellar cell types between birds and mammals. Birds predominantly express SLC17A6 in EX, whereas mammals expressed SLC17A7 in neocortex and SLC17A6 elsewhere, possibly due to loss of SLC17A7 function loss in birds. Additionally, we identified a novel bird-specific Purkinje cell subtype (SVIL+), implicating the LSD11/KDM1A pathway in learning and circadian rhythms, and related numerous positively selected genes in birds, suggesting an evolutionary optimization of cerebellar functions for ecological and behavioral adaptation. Our findings elucidate the complex interplay between genetic evolution and environmental adaptation, underscoring the role of genetic diversification in the development of specialized cell types across amniotes.