Abstract The intestine is a complex organ that promotes digestion, extracts nutrients, participates in immune surveillance, maintains critical symbiotic relationships with microbiota and affects overall health 1 . The intesting has a length of over nine metres, along which there are differences in structure and function 2 . The localization of individual cell types, cell type development trajectories and detailed cell transcriptional programs probably drive these differences in function. Here, to better understand these differences, we evaluated the organization of single cells using multiplexed imaging and single-nucleus RNA and open chromatin assays across eight different intestinal sites from nine donors. Through systematic analyses, we find cell compositions that differ substantially across regions of the intestine and demonstrate the complexity of epithelial subtypes, and find that the same cell types are organized into distinct neighbourhoods and communities, highlighting distinct immunological niches that are present in the intestine. We also map gene regulatory differences in these cells that are suggestive of a regulatory differentiation cascade, and associate intestinal disease heritability with specific cell types. These results describe the complexity of the cell composition, regulation and organization for this organ, and serve as an important reference map for understanding human biology and disease.

Abstract The colon is a complex organ that promotes digestion, extracts nutrients, participates in immune surveillance, maintains critical symbiotic relationships with microbiota, and affects overall health. To better understand its organization, functions, and its regulation at a single cell level, we performed CODEX multiplexed imaging, as well as single nuclear RNA and open chromatin assays across eight different intestinal sites of four donors. Through systematic analyses we find cell compositions differ dramatically across regions of the intestine, demonstrate the complexity of epithelial subtypes, and find that the same cell types are organized into distinct neighborhoods and communities highlighting distinct immunological niches present in the intestine. We also map gene regulatory differences in these cells suggestive of a regulatory differentiation cascade, and associate intestinal disease heritability with specific cell types. These results describe the complexity of the cell composition, regulation, and organization for this organ, and serve as an important reference map for understanding human biology and disease.

SUMMARY Dynamic cell states underlie flexible developmental programs, such as with the stomatal lineage of the Arabidopsis epidermis. Initial stages of the lineage feature asynchronous and indeterminate divisions modulated by environmental cues, enabling cell fate flexibility to generate the requisite density and pattern of stomata for a given environment. It remains unclear, however, how flexibility of cell fates is controlled. Here, we uncovered distinct models of cell state differentiation within Arabidopsis leaf tissue by leveraging single-cell transcriptomics and molecular genetics. Our findings resolved underlying heterogeneity within cell states of the flexible epidermal stomatal lineage, which appear to exist along a continuum, with progressive cell specification. Beyond the early stages of the lineage, we discovered that the core transcriptional regulator SPEECHLESS is required for cell fate commitment to yield stomatal guard cells. Overall, our work has refined the stomatal lineage paradigm and uncovered progressive cell state decisions along lineage trajectories in developing leaves.

Abstract Aberrant shifts in DNA methylation have long been regarded as an early marker for cancer onset and progression. To chart DNA methylation changes that occur during the transformation from normal healthy colon tissue to malignant colorectal cancer (CRC), we collected over 50 samples from 15 familial adenomatous polyposis (FAP) and non-FAP colorectal cancer patients, and generated 30-70x whole-genome methylation sequencing (WGMS) runs via the novel Ultima Genomics ultra high-throughput sequencing platform. We observed changes in DNA methylation that occur early in the malignant transformation process, in gene promoters and in distal regulatory elements. Among these changes are events of hyper-methylation which are associated with a bivalent “poised” chromatin state at promoters and are CRC-specific. Distal enhancers show nonlinear dynamics, lose methylation in the progression from normal mucosa to dysplastic polyps but regain methylation in the adenocarcinoma state. Enhancers that gain chromatin accessibility in the adenocarcinoma state and are enriched with HOX transcription factor binding sites, a marker of developmental genes. This work demonstrates the feasibility of generating large high quality WGMS data using the Ultima Genomics platform and provides the first detailed view of methylation dynamics during CRC formation and progression in a model case.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an archetypal complex disease centered on progressive death of motor neurons. Despite heritability estimates of 52%, GWAS studies have discovered only seven genome-wide significant hits, which are relevant to <10% of ALS patients. To increase the power of gene discovery, we integrated motor neuron functional genomics with ALS genetics in a hierarchical Bayesian model called RefMap. Comprehensive transcriptomic and epigenetic profiling of iPSC-derived motor neurons enabled RefMap to systematically fine-map genes and pathways associated with ALS. As a significant extension of the known genetic architecture of ALS, we identified a group of 690 candidate ALS genes, which is enriched with previously discovered risk genes. Extensive conservation, transcriptome and network analyses demonstrated the functional significance of these candidate genes in motor neurons and disease progression. In particular, we observed a genetic convergence on the distal axon, which supports the prevailing view of ALS as a distal axonopathy. Of the new ALS genes we discovered, we further characterized KANK1 that is enriched with coding and noncoding, common and rare ALS-associated genetic variation. Modelling patient mutations in human neurons reduced KANK1 expression and produced neurotoxicity with disruption of the distal axon. RefMap can be applied broadly to increase the discovery power in genetic association studies of human complex traits and diseases.

Generating cell polarity in anticipation of asymmetric cell division is required in many developmental contexts across a diverse range of species. Physical and genetic diversity among major multicellular taxa, however, demand different molecular solutions to this problem. The Arabidopsis stomatal lineage displays asymmetric, stem cell-like and oriented cell divisions, which require the activity of the polarly localized protein, BASL. Here we identify the plant-specific BREVIS RADIX (BRX) family as localization and activity partners of BASL. We show that members of the BRX family are polarly localized to peripheral domains in stomatal lineage cells and that their collective activity is required for asymmetric cell divisions. We further demonstrate a mechanism for these behaviors by uncovering mutual, yet unequal dependencies of BASL and the BRX family for each others localization and segregation at the periphery of stomatal lineage cells.

Plants, with cells fixed in place by rigid walls, often utilize spatial and temporally distinct cell division programs to organize and maintain organs. This leads to the question of how developmental regulators interact with the cell cycle machinery to link cell division events with particular developmental trajectories. In Arabidopsis leaves, the development of stomata, two-celled epidermal valves that mediate plant-atmosphere gas exchange, relies on a series of oriented stem-cell-like asymmetric divisions followed by a single symmetric division. The stomatal lineage is embedded in a tissue whose cells transition from proliferation to post-mitotic differentiation earlier, necessitating stomatal lineage-specific factors to prolong competence to divide. We show that the D-type cyclin, CYCD7;1 is specifically expressed just prior to the symmetric guard-cell forming division, and that it is limiting for this division. Further, we find that CYCD7;1 is capable of promoting divisions in multiple contexts, likely through RBR-dependent promotion of the G1/S transition, but that CYCD7;1 is regulated at the transcriptional level by cell-type specific transcription factors that confine its expression to the appropriate developmental window.

Abstract Although 3D genome architecture is essential for long-range gene regulation, the significance of distal regulatory chromatin contacts is challenged by recent findings of low correlation between contact propensity and gene expression. To better understand the role of long-range interactions between distal regulatory elements during the early transformation from healthy colon to colorectal cancer, here we performed high resolution chromatin conformation capture for 33 samples including non-neoplastic mucosa, adenomatous polyps and adenocarcinomas, mostly from Familial Adenomatous Polyposis (FAP) patients. We identified hundreds of thousands of chromatin micro-structures, such as architectural stripes and loops, which originated from active cis-regulatory elements. Surprisingly, these structures progressively decayed throughout cancer progression, particularly at promoters. Meta-analyses revealed that this decay was independent of alterations in DNA methylation and chromatin accessibility. Interestingly, the degree of interaction loss was poorly correlated with gene expression changes. Instead, genes whose expression were disproportionately lower and higher than their relative promoter interaction in mucosa shifted their expression in polyps and adenocarcinomas to yield a more direct relationship between strength of interaction and gene expression. Our work provides the first high resolution 3D conformation maps during early cancer formation and progression, and provides novel insights into transcriptional readouts associated with fine-scale chromatin conformation alterations.

The majority of mammalian genes encode multiple transcript isoforms that result from differential promoter use, changes in exonic splicing, and alternative 3' end choice. Detecting and quantifying transcript isoforms across tissues, cell types, and species has been extremely challenging because transcripts are much longer than the short reads normally used for RNA-seq. By contrast, long-read RNA-seq (LR-RNA-seq) gives the complete structure of most transcripts. We sequenced 264 LR-RNA-seq PacBio libraries totaling over 1 billion circular consensus reads (CCS) for 81 unique human and mouse samples. We detect at least one full-length transcript from 87.7% of annotated human protein coding genes and a total of 200,000 full-length transcripts, 40% of which have novel exon junction chains. To capture and compute on the three sources of transcript structure diversity, we introduce a gene and transcript annotation framework that uses triplets representing the transcript start site, exon junction chain, and transcript end site of each transcript. Using triplets in a simplex representation demonstrates how promoter selection, splice pattern, and 3' processing are deployed across human tissues, with nearly half of multi-transcript protein coding genes showing a clear bias toward one of the three diversity mechanisms. Evaluated across samples, the predominantly expressed transcript changes for 74% of protein coding genes. In evolution, the human and mouse transcriptomes are globally similar in types of transcript structure diversity, yet among individual orthologous gene pairs, more than half (57.8%) show substantial differences in mechanism of diversification in matching tissues. This initial large-scale survey of human and mouse long-read transcriptomes provides a foundation for further analyses of alternative transcript usage, and is complemented by short-read and microRNA data on the same samples and by epigenome data elsewhere in the ENCODE4 collection.