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 Benefiting from the complex system composed of various constituents, medicament portions, species, and places of origin, traditional Chinese medicine (TCM) possesses numerous customizable and adaptable efficacies in clinical practice guided by its theories. However, these unique features are also present challenges in areas such as quality control, screening active ingredients, studying cell and organ pharmacology, and characterizing the compatibility between different Chinese medicines. Drawing inspiration from the holistic concept, an integrated strategy and pattern more aligned with TCM research emerges, necessitating the integration of novel technology into TCM modernization. The microfluidic chip serves as a powerful platform for integrating technologies in chemistry, biology, and biophysics. Microfluidics has given rise to innovative patterns like lab-on-a-chip and organoids-on-a-chip, effectively challenging the conventional research paradigms of TCM. This review provides a systematic summary of the nature and advanced utilization of microfluidic chips in TCM, focusing on quality control, active ingredient screening/separation, pharmaceutical analysis, and pharmacological/toxicological assays. Drawing on these remarkable references, the challenges, opportunities, and future trends of microfluidic chips in TCM are also comprehensively discussed, providing valuable insights into the development of TCM.

Placenta play essential role in successful pregnancy, as the most important organ connecting and interplaying between mother and fetus. However, the cellular and molecular characteristics of fetal origin and maternal origin cell populations within the fetomaternal interface still is poorly understood. Here, we profiled the transcriptomes of single cells with well-defined maternal-fetal origin that consecutively localized from fetal section (FS), middle section (Mid_S) to maternal section (Mat_S) within the human full-term placenta. Then, we initially identified the cellular and molecular heterogeneity of cytotrophoblast cell (CTB) and stromal cell (STR) with the spatial location and fetal/maternal origin, also highlighted STR cells from fetal origins showed greater proliferation ability in Mat_S compared to cells from FS or Mid_S. Further, by integrating analysis with the first-trimester placental single cell transcriptome data, we revealed that a subpopulation of trophoblast progenitor-like cells (TPLCs) existed in the full-term placenta and mainly distributed in Mid_S, with high expression of pool of putative cell surface makers and unique molecular features. Moreover, through the extravillous cytotrophoblast (EVT) subsets differentiation trajectory and regulation network analysis, we proposed a putative key transcription factor PRDM6 that promoted the differentiation of endovascular extravillous trophoblast cells (enEVT). Finally, based on the integrated analyses of single cell transcriptional profiling of preeclampsia (PE) and match-trimester normal placenta, we highlighted the defective EVT subgroup composition and down-regulation of PRDM6 may lead to an abnormal enEVT differentiation process in PE. Together, our study offers important resources for better understanding of human placenta, stem cell-based therapy as well as PE, and provides new insights on the study of tissue heterogeneity, the clinical prevention and control of PE as well as the maternal-fetal interface.

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 It is a mystery about sex determination and sexual plasticity in species without sex chromosomes. DNA methylation is a prevalent epigenetic modification in vertebrates, which has been shown to involve in the regulation of gene expression and embryo development. However, it remains unclear about how DNA methylation regulates sexual development. To elucidate it, we used zebrafish to investigate DNA methylation reprogramming during juvenile germ cell development and adult female-to-male sex transition. We revealed that primordial germ cells (PGCs) undergo significant DNA methylation reprogramming during germline development and set to an oocyte/ovary-like pattern at 9 days post fertilization (9 dpf). When blocking DNMTs activity in juveniles after 9 dpf, the zebrafish preferably develops into females. We also show that Tet3 involves in PGC development. Notably, we find that DNA methylome reprogramming during adult zebrafish sex transition is similar to the reprogramming during the sex differentiation from 9 dpf PGCs to sperm. Furthermore, inhibiting DNMTs activity can prevent the female-to-male sex transition, suggesting that methylation reprogramming is required for zebrafish sex transition. In summary, DNA methylation plays important roles in zebrafish germline development and sexual plasticity.

The first step of cellular entry for the human immunodeficiency virus type-1 (HIV-1) occurs through the binding of its envelope protein (Env) with the plasma membrane receptor CD4 and co-receptor CCR5 or CXCR4 on susceptible cells, primarily CD4 + T cells and macrophages. Although there is considerable knowledge of the molecular interactions between Env and host cell receptors that lead to successful fusion, the precise way in which HIV-1 receptors redistribute to sites of virus binding at the nanoscale remains unknown. Here, we quantitatively examine changes in the nanoscale organisation of CD4 on the surface of CD4 + T cells following HIV-1 binding. Using single-molecule super-resolution imaging, we show that CD4 molecules are distributed mostly as either individual molecules or small clusters of up to 4 molecules. Following virus binding, we observe a local 3-to-10-fold increase in cluster diameter and molecule number for virus-associated CD4 clusters. Moreover, a similar but smaller magnitude reorganisation of CD4 was also observed with recombinant gp120. For the first time, our results quantify the nanoscale CD4 reorganisation triggered by HIV-1 on host cells. Our quantitative approach provides a robust methodology for characterising the nanoscale organisation of plasma membrane receptors in general with the potential to link spatial organisation to function.

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.

Studying tissue composition and function in non-human primates (NHP) is crucial to understand the nature of our own species. Here, we present a large-scale single-cell and single-nucleus transcriptomic atlas encompassing over one million cells from 43 tissues from the adult NHP Macaca fascicularis . This dataset provides a vast, carefully annotated, resource to study a species phylogenetically close to humans. As proof of principle, we have reconstructed the cell-cell interaction networks driving Wnt signalling across the body, mapped the distribution of receptors and co-receptors for viruses causing human infectious diseases and intersected our data with human genetic disease orthologous coordinates to identify both expected and unexpected associations. Our Macaca fascicularis cell atlas constitutes an essential reference for future single-cell studies in human and NHP.

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.