Leishmania species cause a spectrum of human diseases in tropical and subtropical regions of the world. We have sequenced the 36 chromosomes of the 32.8-megabase haploid genome of Leishmania major (Friedlin strain) and predict 911 RNA genes, 39 pseudogenes, and 8272 protein-coding genes, of which 36% can be ascribed a putative function. These include genes involved in host-pathogen interactions, such as proteolytic enzymes, and extensive machinery for synthesis of complex surface glycoconjugates. The organization of protein-coding genes into long, strand-specific, polycistronic clusters and lack of general transcription factors in the L. major, Trypanosoma brucei , and Trypanosoma cruzi (Tritryp) genomes suggest that the mechanisms regulating RNA polymerase II–directed transcription are distinct from those operating in other eukaryotes, although the trypanosomatids appear capable of chromatin remodeling. Abundant RNA-binding proteins are encoded in the Tritryp genomes, consistent with active posttranscriptional regulation of gene expression.

The social amoebae are exceptional in their ability to alternate between unicellular and multicellular forms. Here we describe the genome of the best-studied member of this group, Dictyostelium discoideum. The gene-dense chromosomes of this organism encode approximately 12,500 predicted proteins, a high proportion of which have long, repetitive amino acid tracts. There are many genes for polyketide synthases and ABC transporters, suggesting an extensive secondary metabolism for producing and exporting small molecules. The genome is rich in complex repeats, one class of which is clustered and may serve as centromeres. Partial copies of the extrachromosomal ribosomal DNA (rDNA) element are found at the ends of each chromosome, suggesting a novel telomere structure and the use of a common mechanism to maintain both the rDNA and chromosomal termini. A proteome-based phylogeny shows that the amoebozoa diverged from the animal-fungal lineage after the plant-animal split, but Dictyostelium seems to have retained more of the diversity of the ancestral genome than have plants, animals or fungi.

The International Human Genome Sequencing Consortium (IHGSC) recently completed a sequence of the human genome. As part of this project, we have focused on chromosome 8. Although some chromosomes exhibit extreme characteristics in terms of length, gene content, repeat content and fraction segmentally duplicated, chromosome 8 is distinctly typical in character, being very close to the genome median in each of these aspects. This work describes a finished sequence and gene catalogue for the chromosome, which represents just over 5% of the euchromatic human genome. A unique feature of the chromosome is a vast region of approximately 15 megabases on distal 8p that appears to have a strikingly high mutation rate, which has accelerated in the hominids relative to other sequenced mammals. This fast-evolving region contains a number of genes related to innate immunity and the nervous system, including loci that appear to be under positive selection--these include the major defensin (DEF) gene cluster and MCPH1, a gene that may have contributed to the evolution of expanded brain size in the great apes. The data from chromosome 8 should allow a better understanding of both normal and disease biology and genome evolution.

Methods to deconvolve single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data are necessary for samples containing a mixture of genotypes, whether they are natural or experimentally combined. Multiplexing across donors is a popular experimental design that can avoid batch effects, reduce costs and improve doublet detection. By using variants detected in scRNA-seq reads, it is possible to assign cells to their donor of origin and identify cross-genotype doublets that may have highly similar transcriptional profiles, precluding detection by transcriptional profile. More subtle cross-genotype variant contamination can be used to estimate the amount of ambient RNA. Ambient RNA is caused by cell lysis before droplet partitioning and is an important confounder of scRNA-seq analysis. Here we develop souporcell, a method to cluster cells using the genetic variants detected within the scRNA-seq reads. We show that it achieves high accuracy on genotype clustering, doublet detection and ambient RNA estimation, as demonstrated across a range of challenging scenarios. Souporcell clusters single-cell RNA-seq data using genotype information without the use of a genotype reference.

Regulatory variants are often context specific, modulating gene expression in a subset of possible cellular states. Although these genetic effects can play important roles in disease, the molecular mechanisms underlying context specificity are poorly understood. Here, we identified shared quantitative trait loci (QTLs) for chromatin accessibility and gene expression in human macrophages exposed to IFNγ, Salmonella and IFNγ plus Salmonella. We observed that ~60% of stimulus-specific expression QTLs with a detectable effect on chromatin altered the chromatin accessibility in naive cells, thus suggesting that they perturb enhancer priming. Such variants probably influence binding of cell-type-specific transcription factors, such as PU.1, which can then indirectly alter the binding of stimulus-specific transcription factors, such as NF-κB or STAT2. Thus, although chromatin accessibility assays are powerful for fine-mapping causal regulatory variants, detecting their downstream effects on gene expression will be challenging, requiring profiling of large numbers of stimulated cellular states and time points.

Abstract Recent developments in stem cell biology have enabled the study of cell fate decisions in early human development that are impossible to study in vivo. However, understanding how development varies across individuals and, in particular, the influence of common genetic variants during this process has not been characterised. Here, we exploit human iPS cell lines from 125 donors, a pooled experimental design, and single-cell RNA-sequencing to study population variation of endoderm differentiation. We identify molecular markers that are predictive of differentiation efficiency of individual lines, and utilise heterogeneity in the genetic background across individuals to map hundreds of expression quantitative trait loci that influence expression dynamically during differentiation and across cellular contexts.

When cellular traits are measured using high-throughput DNA sequencing, quantitative trait loci (QTLs) manifest as fragment count differences between individuals and allelic differences within individuals. We present RASQUAL (Robust Allele-Specific Quantitation and Quality Control), a new statistical approach for association mapping that models genetic effects and accounts for biases in sequencing data using a single, probabilistic framework. RASQUAL substantially improves fine-mapping accuracy and sensitivity relative to existing methods in RNA-seq, DNase-seq and ChIP-seq data. We illustrate how RASQUAL can be used to maximize association detection by generating the first map of chromatin accessibility QTLs (caQTLs) in a European population using ATAC-seq. Despite a modest sample size, we identified 2,707 independent caQTLs (at a false discovery rate of 10%) and demonstrated how RASQUAL and ATAC-seq can provide powerful information for fine-mapping gene-regulatory variants and for linking distal regulatory elements with gene promoters. Our results highlight how combining between-individual and allele-specific genetic signals improves the functional interpretation of noncoding variation.

Single-cell transcriptomics has allowed unprecedented resolution of cell types/states in the human lung, but their spatial context is less well defined. To (re)define tissue architecture of lung and airways, we profiled five proximal-to-distal locations of healthy human lungs in depth using multi-omic single cell/nuclei and spatial transcriptomics (queryable at lungcellatlas.org ). Using computational data integration and analysis, we extend beyond the suspension cell paradigm and discover macro and micro-anatomical tissue compartments including previously unannotated cell types in the epithelial, vascular, stromal and nerve bundle micro-environments. We identify and implicate peribronchial fibroblasts in lung disease. Importantly, we discover and validate a survival niche for IgA plasma cells in the airway submucosal glands (SMG). We show that gland epithelial cells recruit B cells and IgA plasma cells, and promote longevity and antibody secretion locally through expression of CCL28, APRIL and IL-6. This new 'gland-associated immune niche' has implications for respiratory health.

Summary Multiple distinct cell types of the human lung and airways have been defined by single cell RNA sequencing (scRNAseq). Here we present a multi-omics spatial lung atlas to define novel cell types which we map back into the macro- and micro-anatomical tissue context to define functional tissue microenvironments. Firstly, we have generated single cell and nuclei RNA sequencing, VDJ-sequencing and Visium Spatial Transcriptomics data sets from 5 different locations of the human lung and airways. Secondly, we define additional cell types/states, as well as spatially map novel and known human airway cell types, such as adult lung chondrocytes, submucosal gland (SMG) duct cells, distinct pericyte and smooth muscle subtypes, immune-recruiting fibroblasts, peribronchial and perichondrial fibroblasts, peripheral nerve associated fibroblasts and Schwann cells. Finally, we define a survival niche for IgA-secreting plasma cells at the SMG, comprising the newly defined epithelial SMG-Duct cells, and B and T lineage immune cells. Using our transcriptomic data for cell-cell interaction analysis, we propose a signalling circuit that establishes and supports this niche. Overall, we provide a transcriptional and spatial lung atlas with multiple novel cell types that allows for the study of specific tissue microenvironments such as the newly defined gland-associated lymphoid niche (GALN).

Abstract Microglia, the tissue resident macrophages of the CNS, are implicated in a broad range of neurological pathologies, from acute brain injury to dementia. Here, we profiled gene expression variation in primary human microglia isolated from 141 patients undergoing neurosurgery. Using single cell and bulk RNA sequencing, we defined distinct cellular populations of acutely in vivo -activated microglia, and characterised a dramatic switch in microglial population composition in patients suffering from acute brain injury. We mapped expression quantitative trait loci (eQTLs) in human microglia and show that many disease-associated eQTLs in microglia replicate well in a human induced pluripotent stem cell (hIPSC) derived macrophage model system. Using ATAC-seq from 95 individuals in this hIPSC model we fine-map candidate causal variants at risk loci for Alzheimer’s disease, the most prevalent neurodegenerative condition in acute brain injury patients. Our study provides the first population-scale transcriptional map of a critically important cell for neurodegenerative disorders.