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 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 Spatial transcriptomics measures in situ gene expression at millions of locations within a tissue 1 , hitherto with some trade-off between transcriptome depth, spatial resolution and sample size 2 . Although integration of image-based segmentation has enabled impactful work in this context, it is limited by imaging quality and tissue heterogeneity. By contrast, recent array-based technologies offer the ability to measure the entire transcriptome at subcellular resolution across large samples 3–6 . Presently, there exist no approaches for cell type identification that directly leverage this information to annotate individual cells. Here we propose a multiscale approach to automatically classify cell types at this subcellular level, using both transcriptomic information and spatial context. We showcase this on both targeted and whole-transcriptome spatial platforms, improving cell classification and morphology for human kidney tissue and pinpointing individual sparsely distributed renal mouse immune cells without reliance on image data. By integrating these predictions into a topological pipeline based on multiparameter persistent homology 7–9 , we identify cell spatial relationships characteristic of a mouse model of lupus nephritis, which we validate experimentally by immunofluorescence. The proposed framework readily generalizes to new platforms, providing a comprehensive pipeline bridging different levels of biological organization from genes through to tissues.

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.

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.

Background: Investigating cell fate decision and subpopulation specification in the context of the neural lineage is fundamental to understanding neurogenesis and neurodegenerative diseases. The differentiation process of neural-tube-like rosettes in vitro is representative of neural tube structures, which are composed of radially organized, columnar epithelial cells and give rise to functional neural cells. However, the underlying regulatory network of cell fate commitment during early neural differentiation remains elusive. Results: In this study, we investigated the genome-wide transcriptome profile of single cells from six consecutive reprogramming and neural differentiation time points and identified cellular subpopulations present at each differentiation stage. Based on the inferred reconstructed trajectory and the characteristics of subpopulations contributing the most towards commitment to the central nervous system (CNS) lineage at each stage during differentiation, we identified putative novel transcription factors in regulating neural differentiation. In addition, we dissected the dynamics of chromatin accessibility at the neural differentiation stages and revealed active cis-regulatory elements for transcription factors known to have a key role in neural differentiation as well as for those that we suggest are also involved. Further, communication network analysis demonstrated that cellular interactions most frequently occurred among embryoid body (EB) stage and each cell subpopulation possessed a distinctive spectrum of ligands and receptors associated with neural differentiation which could reflect the identity of each subpopulation. Conclusions: Our study provides a comprehensive and integrative study of the transcriptomics and epigenetics of human early neural differentiation, which paves the way for a deeper understanding of the regulatory mechanisms driving the differentiation of the neural lineage. Key words: single cell RNA-seq, ATAC-seq, neural differentiation, neural rosettes, neural tube, transcription factor, iPSCs

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.

Summary Cardiac conduction system (CCS) morphogenesis is essential for correct heart function yet is incompletely understood. Here we established the transcriptional landscape of cell types populating the developing heart by integrating single-cell RNA sequencing and spatial enhanced resolution omics-sequencing (Stereo-seq). Stereo-seq provided a spatiotemporal transcriptomic cell fate map of the murine heart with a panoramic field of view and in situ cellular resolution of the CCS. This led to the identification of a previously unrecognized cardiomyocyte population expressing dopamine beta-hydroxylase ( Dbh + -CMs), which is closely associated with the CCS in transcriptomic analyses. To confirm this finding, genetic fate mapping by using Dbh Cre /Rosa26-tdTomato reporter mouse line was performed with Stereo-seq, RNAscope, and immunohistology. We revealed that Dbh + -derived CMs first emerged in the sinus venosus at E12.5, then populated the atrial and ventricular CCS components at E14.5, with increasing abundance towards perinatal stages. Further tracing by using Dbh CFP reporter and Dbh CreERT /Rosa26-tdTomato inducible reporter, we confirmed that Dbh + -CMs are mostly abundant in the AVN and ventricular CCS and this persists in the adult heart. By using Dbh Cre /Rosa26-tdTomato/Cx40-eGFP compound reporter line, we validated a clear co-localization of tdTomato and eGFP signals in both left and right ventricular Purkinje fibre networks. Finally, electrophysiological optogenetic study using cell-type specific Channelrhodopsin2 (ChR2) expression further elucidated that Dbh + -derived CMs form a functional part of the ventricular CCS and display similar photostimulation-induced electrophysiological characteristics to Cx40 CreERT /ChR2-tdTomato CCS components. Thus, by utilizing advanced transcriptomic, mouse genetic, and optogenetic functional analyses, our study provides new insights into mammalian CCS development and heterogeneity by revealing novel Dbh + -CMs. Highlights Stereo-seq provided a spatiotemporal transcriptomic cell fate map of the murine heart with a panoramic field of view and in situ cellular resolution of the CCS. Established the transcriptional landscape of cell types populating the developing murine heart. Revealed previously unreported catecholaminergic cardiomyocyte populations contributing to the developing and mature murine cardiac conduction system.