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 Mammalian embryogenesis is characterized by rapid cellular proliferation and diversification. Within a few weeks, a single cell zygote gives rise to millions of cells expressing a panoply of molecular programs, including much of the diversity that will subsequently be present in adult tissues. Although intensively studied, a comprehensive delineation of the major cellular trajectories that comprise mammalian development in vivo remains elusive. Here we set out to integrate several single cell RNA-seq datasets (scRNA-seq) that collectively span mouse gastrulation and organogenesis. We define cell states at each of 19 successive stages spanning E3.5 to E13.5, heuristically connect them with their pseudo-ancestors and pseudo-descendants, and for a subset of stages, deconvolve their approximate spatial distributions. Despite being constructed through automated procedures, the resulting trajectories o f m ammalian e mbryogenesis (TOME) are largely consistent with our contemporary understanding of mammalian development. We leverage TOME to nominate transcription factors (TF) and TF motifs as key regulators of each branch point at which a new cell type emerges. Finally, to facilitate comparisons across vertebrates, we apply the same procedures to single cell datasets of zebrafish and frog embryogenesis, and nominate “cell type homologs” based on shared regulators and transcriptional states.

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.

Abstract Mouse models are a critical tool for studying human diseases, particularly developmental disorders 1 . However, conventional approaches for phenotyping may fail to detect subtle defects throughout the developing mouse 2 . Here we set out to establish single-cell RNA sequencing of the whole embryo as a scalable platform for the systematic phenotyping of mouse genetic models. We applied combinatorial indexing-based single-cell RNA sequencing 3 to profile 101 embryos of 22 mutant and 4 wild-type genotypes at embryonic day 13.5, altogether profiling more than 1.6 million nuclei. The 22 mutants represent a range of anticipated phenotypic severities, from established multisystem disorders to deletions of individual regulatory regions 4,5 . We developed and applied several analytical frameworks for detecting differences in composition and/or gene expression across 52 cell types or trajectories. Some mutants exhibit changes in dozens of trajectories whereas others exhibit changes in only a few cell types. We also identify differences between widely used wild-type strains, compare phenotyping of gain- versus loss-of-function mutants and characterize deletions of topological associating domain boundaries. Notably, some changes are shared among mutants, suggesting that developmental pleiotropy might be ‘decomposable’ through further scaling of this approach. Overall, our findings show how single-cell profiling of whole embryos can enable the systematic molecular and cellular phenotypic characterization of mouse mutants with unprecedented breadth and resolution.

Many growth factors and cytokines signal by binding to the extracellular domains of their receptors and driving association and transphosphorylation of the receptor intracellular tyrosine kinase domains, initiating downstream signaling cascades. To enable systematic exploration of how receptor valency and geometry affect signaling outcomes, we designed cyclic homo-oligomers with up to 8 subunits using repeat protein building blocks that can be modularly extended. By incorporating a de novo-designed fibroblast growth factor receptor (FGFR)-binding module into these scaffolds, we generated a series of synthetic signaling ligands that exhibit potent valency- and geometry-dependent Ca2+ release and mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway activation. The high specificity of the designed agonists reveals distinct roles for two FGFR splice variants in driving arterial endothelium and perivascular cell fates during early vascular development. Our designed modular assemblies should be broadly useful for unraveling the complexities of signaling in key developmental transitions and for developing future therapeutic applications.

Abstract Mammalian development is associated with extensive changes in gene expression, chromatin accessibility, and nuclear structure. Here, we follow such changes associated with mouse embryonic stem cell differentiation and X inactivation by integrating, for the first time, allele-specific data obtained by high-throughput single-cell RNA-seq, ATAC-seq, and Hi-C. In differentiated cells, contact decay profiles, which clearly distinguish the active and inactive X chromosomes, reveal loss of the inactive X-specific structure at mitosis followed by a rapid reappearance, suggesting a ‘bookkeeping’ mechanism. In differentiating embryonic stem cells, changes in contact decay profiles are detected in parallel on both the X chromosomes and autosomes, suggesting profound simultaneous reorganization. The onset of the inactive X-specific structure in single cells is notably delayed relative to that of gene silencing, consistent with the idea that chromatin compaction is a late event of X inactivation. Novel computational approaches to effectively align single-cell gene expression, chromatin accessibility, and 3D chromosome structure reveal that long-range structural changes to chromosomes appear as discrete events, unlike progressive changes in gene expression and chromatin accessibility.

The pathophysiology of silicosis is poorly understood, limiting development of therapies for those who have been exposed to the respirable particle. We explored mechanisms of silica-induced pulmonary fibrosis in human lung samples collected from patients with occupational exposure to silica and in a longitudinal mouse model of silicosis using multiple modalities including whole-lung single-cell RNA sequencing and histological, biochemical, and physiologic assessments. In addition to pulmonary inflammation and fibrosis, intratracheal silica challenge induced osteoclast-like differentiation of alveolar macrophages and recruited monocytes, driven by induction of the osteoclastogenic cytokine, receptor activator of nuclear factor κΒ ligand (RANKL) in pulmonary lymphocytes, and alveolar type II cells. Anti-RANKL monoclonal antibody treatment suppressed silica-induced osteoclast-like differentiation in the lung and attenuated pulmonary fibrosis. We conclude that silica induces differentiation of pulmonary osteoclast-like cells leading to progressive lung injury, likely due to sustained elaboration of bone-resorbing proteases and hydrochloric acid. Interrupting osteoclast-like differentiation may therefore constitute a promising avenue for moderating lung damage in silicosis.

SUMMARY During embryogenesis, waves of hematopoietic progenitors develop from hemogenic endothelium (HE) prior to the emergence of self-renewing hematopoietic stem cells (HSC). Although previous studies have shown that yolk sac-derived erythromyeloid progenitors and HSC emerge from distinct populations of HE, it remains unknown whether the earliest lymphoid-competent progenitors, multipotent progenitors, and HSC originate from common HE. Here we demonstrate by clonal assays and single cell transcriptomics that rare HE with functional HSC potential in the early murine embryo are distinct from more abundant HE with multilineage hematopoietic potential that fail to generate HSC. Specifically, HSC-competent HE are characterized by expression of CXCR4 surface marker and by higher expression of genes tied to arterial programs regulating HSC dormancy and self-renewal. Together, these findings suggest a revised model of developmental hematopoiesis in which the initial populations of multipotent progenitors and HSC arise independently from HE with distinct phenotypic and transcriptional properties.

Abstract Mouse models are a critical tool for studying human diseases, particularly developmental disorders, as well as for advancing our general understanding of mammalian biology. However, it has long been suspected that conventional approaches for phenotyping are insufficiently sensitive to detect subtle defects throughout the developing mouse. Here we set out to establish single cell RNA sequencing (sc-RNA-seq) of the whole embryo as a scalable platform for the systematic molecular and cellular phenotyping of mouse genetic models. We applied combinatorial indexing-based sc-RNA-seq to profile 101 embryos of 26 genotypes at embryonic stage E13.5, altogether profiling gene expression in over 1.6M nuclei. The 26 genotypes include 22 mouse mutants representing a range of anticipated severities, from established multisystem disorders to deletions of individual enhancers, as well as the 4 wildtype backgrounds on which these mutants reside. We developed and applied several analytical frameworks for detecting differences in composition and/or gene expression across 52 cell types or trajectories. Some mutants exhibited changes in dozens of trajectories ( e.g. , the pleiotropic consequences of altering the Sox9 regulatory landscape) whereas others showed phenotypes affecting specific subsets of cells. We also identify differences between widely used wildtype strains, compare phenotyping of gain vs. loss of function mutants, and characterise deletions of topological associating domain (TAD) boundaries. Intriguingly, even among these 22 mutants, some changes are shared by heretofore unrelated models, suggesting that developmental pleiotropy might be “decomposable” through further scaling of this approach. Overall, our findings show how single cell profiling of whole embryos can enable the systematic molecular and cellular phenotypic characterization of mouse mutants with unprecedented breadth and resolution.

The urgent need for massively scaled clinical testing for SARS-CoV-2, along with global shortages of critical reagents and supplies, has necessitated development of streamlined laboratory testing protocols. Conventional nucleic acid testing for SARS-CoV-2 involves collection of a clinical specimen with a nasopharyngeal swab in transport medium, nucleic acid extraction, and quantitative reverse transcription PCR (RT-qPCR) (1). As testing has scaled across the world, the global supply chain has buckled, rendering testing reagents and materials scarce (2). To address shortages, we developed SwabExpress, an end-to-end protocol developed to employ mass produced anterior nares swabs and bypass the requirement for transport media and nucleic acid extraction.We evaluated anterior nares swabs, transported dry and eluted in low-TE buffer as a direct-to-RT-qPCR alternative to extraction-dependent viral transport media. We validated our protocol of using heat treatment for viral activation and added a proteinase K digestion step to reduce amplification interference. We tested this protocol across archived and prospectively collected swab specimens to fine-tune test performance.After optimization, SwabExpress has a low limit of detection at 2-4 molecules/uL, 100% sensitivity, and 99.4% specificity when compared side-by-side with a traditional RT-qPCR protocol employing extraction. On real-world specimens, SwabExpress outperforms an automated extraction system while simultaneously reducing cost and hands-on time.SwabExpress is a simplified workflow that facilitates scaled testing for COVID-19 without sacrificing test performance. It may serve as a template for the simplification of PCR-based clinical laboratory tests, particularly in times of critical shortages during pandemics.