Current human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) vaccines elicit strain-specific neutralizing antibodies. However, cross-reactive neutralizing antibodies arise in approximately 20% of HIV-1-infected individuals, and details of their generation could provide a blueprint for effective vaccination. Here we report the isolation, evolution and structure of a broadly neutralizing antibody from an African donor followed from the time of infection. The mature antibody, CH103, neutralized approximately 55% of HIV-1 isolates, and its co-crystal structure with the HIV-1 envelope protein gp120 revealed a new loop-based mechanism of CD4-binding-site recognition. Virus and antibody gene sequencing revealed concomitant virus evolution and antibody maturation. Notably, the unmutated common ancestor of the CH103 lineage avidly bound the transmitted/founder HIV-1 envelope glycoprotein, and evolution of antibody neutralization breadth was preceded by extensive viral diversification in and near the CH103 epitope. These data determine the viral and antibody evolution leading to induction of a lineage of HIV-1 broadly neutralizing antibodies, and provide insights into strategies to elicit similar antibodies by vaccination. Longitudinal sampling is used to map the evolution of an HIV-1 virus from the time of infection, and the co-evolution of a broadly neutralizing antibody in the same infected patient; the findings have important implications for HIV vaccine development. Hua-Xin Liao et al. followed the evolution of an HIV-1 virus, and the concurrent co-evolution of a CD4-binding-site broadly neutralizing antibody (BnAb), from the time of infection of a single African patient for a period of more than 3 years. The neutralizing antibody, of CH103 lineage, is a new type of BnAb that binds in a completely loop-based manner that differs from that of VRC01 class monoclonal antibodies — the CH103 lineage is less mutated, with fewer unusual macromutations and may be easier to induce. This work has implications for HIV vaccine development, suggesting viral strains that might generate broadly neutralizing antibodies within the host.

Designer Vaccine Respiratory syncytial virus (RSV) is one of the last remaining childhood diseases without an approved vaccine. Using a structure-based approach, McLellan et al. (p. 592 ) designed over 150 fusion glycoprotein variants, assessed their antibody reactivity, determined crystal structures of stabilized variants, and measured their ability to elicit protective responses. This approach yielded an immunogen that elicits higher protective responses than the postfusion form of the fusion glycoprotein, which is one of the current leading RSV vaccine candidates entering clinical trials. Importantly, highly protective responses were elicited in both mice and macaques.

Linking regulatory DNA elements to their target genes, which may be located hundreds of kilobases away, remains challenging. Here, we introduce Cicero, an algorithm that identifies co-accessible pairs of DNA elements using single-cell chromatin accessibility data and so connects regulatory elements to their putative target genes. We apply Cicero to investigate how dynamically accessible elements orchestrate gene regulation in differentiating myoblasts. Groups of Cicero-linked regulatory elements meet criteria of "chromatin hubs"-they are enriched for physical proximity, interact with a common set of transcription factors, and undergo coordinated changes in histone marks that are predictive of changes in gene expression. Pseudotemporal analysis revealed that most DNA elements remain in chromatin hubs throughout differentiation. A subset of elements bound by MYOD1 in myoblasts exhibit early opening in a PBX1- and MEIS1-dependent manner. Our strategy can be applied to dissect the architecture, sequence determinants, and mechanisms of cis-regulation on a genome-wide scale.

High-throughput chemical screens typically use coarse assays such as cell survival, limiting what can be learned about mechanisms of action, off-target effects, and heterogeneous responses. Here, we introduce "sci-Plex," which uses "nuclear hashing" to quantify global transcriptional responses to thousands of independent perturbations at single-cell resolution. As a proof of concept, we applied sci-Plex to screen three cancer cell lines exposed to 188 compounds. In total, we profiled ~650,000 single-cell transcriptomes across ~5000 independent samples in one experiment. Our results reveal substantial intercellular heterogeneity in response to specific compounds, commonalities in response to families of compounds, and insight into differential properties within families. In particular, our results with histone deacetylase inhibitors support the view that chromatin acts as an important reservoir of acetate in cancer cells.

Serum characterization and antibody isolation are transforming our understanding of the humoral immune response to viral infection. Here, we show that epitope specificities of HIV-1-neutralizing antibodies in serum can be elucidated from the serum pattern of neutralization against a diverse panel of HIV-1 isolates. We determined "neutralization fingerprints" for 30 neutralizing antibodies on a panel of 34 diverse HIV-1 strains and showed that similarity in neutralization fingerprint correlated with similarity in epitope. We used these fingerprints to delineate specificities of polyclonal sera from 24 HIV-1-infected donors and a chimeric siman-human immunodeficiency virus-infected macaque. Delineated specificities matched published specificities and were further confirmed by antibody isolation for two sera. Patterns of virus-isolate neutralization can thus afford a detailed epitope-specific understanding of neutralizing-antibody responses to viral infection.

Spatial patterns of gene expression manifest at scales ranging from local (e.g., cell-cell interactions) to global (e.g., body axis patterning). However, current spatial transcriptomics methods either average local contexts or are restricted to limited fields of view. Here, we introduce sci-Space, which retains single-cell resolution while resolving spatial heterogeneity at larger scales. Applying sci-Space to developing mouse embryos, we captured approximate spatial coordinates and whole transcriptomes of about 120,000 nuclei. We identify thousands of genes exhibiting anatomically patterned expression, leverage spatial information to annotate cellular subtypes, show that cell types vary substantially in their extent of spatial patterning, and reveal correlations between pseudotime and the migratory patterns of differentiating neurons. Looking forward, we anticipate that sci-Space will facilitate the construction of spatially resolved single-cell atlases of mammalian development.

Abstract The maturation of single cell transcriptomic technologies has facilitated the generation of comprehensive cellular atlases from whole embryos. A majority of this data, however, has been collected from wild type embryos without an appreciation for latent variation present in development. Here we present single cell transcriptomic data from 1812 individually resolved developing zebrafish embryos, encompassing 19 time points, 23 genetic perturbations, and totaling 3.2M cells. The high degree of replication in our study (8 or more embryos per condition) allows us to estimate the variance in cell type abundance organism-wide and to detect perturbation-dependent deviance in cell type composition relative to wild type embryos. Our approach is sensitive to rare cell types, resolving developmental trajectories and genetic dependencies in the cranial ganglia neurons, a cell population that comprises less than 1% of the embryo. Additionally, time-series profiling of individual mutants identified a group of brachyury -independent cells with strikingly similar transcriptomes to notochord sheath cells, leading to new hypotheses about the origins of the skull. We anticipate that standardized collection of high-resolution, organism-scale single cell data from large numbers of individual embryos will enable mapping the genetic dependencies of zebrafish cell types, while also addressing long-standing challenges in developmental genetics, including the cellular and transcriptional plasticity underlying phenotypic diversity across individuals.

Abstract Sex differences and age-related changes in the human heart at the tissue, cell, and molecular level have been well-documented and many may be relevant for cardiovascular disease. However, how molecular programs within individual cell types vary across individuals by age and sex remains poorly characterized. To better understand this variation, we performed single-nucleus combinatorial indexing (sci) ATAC- and RNA-Seq in human heart samples from nine donors. We identify hundreds of differentially expressed genes by age and sex. Sex dependent alterations include pathways such as TGFβ signaling and metabolic shifts by sex, evident in both transcriptional alterations and differing presence of transcription factor (TF) motifs in accessible chromatin. Age was associated with changes such as immune activation-related transcriptional and chromatin accessibility differences, as well as changes in the relative proportion of cardiomyocytes, neurons, and perivascular cells. In addition, we compare our adult-derived ATAC-Seq profiles to analogous fetal cell types to identify putative developmental-stage-specific regulatory factors. Finally, we train predictive models of cell-type-specific RNA expression levels utilizing ATAC-Seq profiles to link distal regulatory sequences to promoters, quantifying the predictive value of a simple TF-to-expression regulatory grammar and identifying cell-type-specific TFs.