The adult human brain likely comprises more than a thousand kinds of neurons, and an unknown number of glial cell types, but how cellular diversity arises during early brain development is not known. Here, in order to reveal the precise sequence of events during early brain development, we used single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to uncover cell states and trajectories in human brains at 5 – 14 post-conceptional weeks (p.c.w.). We identified twelve major classes and over 600 distinct cell states, which mapped to precise spatial anatomical domains at 5 p.c.w. We uncovered detailed differentiation trajectories of the human forebrain, and a surprisingly large number of region-specific glioblasts maturing into distinct pre-astrocytes and pre-oligodendrocyte precursor cells (pre-OPCs). Our findings reveal the emergence of cell types during the critical first trimester of human brain development.

1 Abstract The increasing amount of spatial transcriptomics data prompts for means to amalgamate observations from distinct experiments, especially attractive is to cast quantities from different sources into a common coordinate frame-work (CCF) to relate signals across space. We here present a method that enables transfer of information from multiple samples to a reference representing a CCF, and show its utility by analyzing an assortment of real and synthetic data sets.

Summary The lung contains numerous specialized cell-types with distinct roles in tissue function and integrity. To clarify the origins and mechanisms generating cell heterogeneity, we created a first comprehensive topographic atlas of early human lung development. We report 83 cell states, several spatially-resolved developmental trajectories and predict cell interactions within defined tissue niches. We integrated scRNA-Seq and spatial transcriptomics into a web-based, open platform for interactive exploration. To illustrate the utility of our approach we show distinct states of secretory and neuroendocrine cells, largely overlapping with the programs activated either during lung fibrosis or small cell lung cancer progression. We define the origin of uncharacterized airway fibroblasts associated with airway smooth muscle in bronchovascular bundles, and describe a trajectory of Schwann cell progenitors to intrinsic parasympathetic neurons controlling bronchoconstriction. Our atlas provides a rich resource for further research and a reference for defining deviations from homeostatic and repair mechanisms leading to pulmonary diseases.

Oligodendrogenesis in the human central nervous system has been mainly observed at the second trimester of gestation, a much later developmental stage compared to mouse. Here we characterize the transcriptomic neural diversity in the human forebrain at post conceptual weeks (PCW) 8 to 10, using single-cell RNA-Seq. We find evidence of the emergence of a first wave of oligodendrocyte lineage cells as early as PCW 8, which we also confirm at the epigenomic level with single-cell ATAC-Seq. Using regulatory network inference, we predict key transcriptional events leading to the specification of oligodendrocyte precursor cells (OPCs). Moreover, by profiling the spatial expression of fifty key genes using In Situ Sequencing (ISS), we identify regions in the human ventral fetal forebrain where oligodendrogenesis first occurs. Our results indicate evolutionary conservation of the first wave of oligodendrogenesis between mouse and human and describe regulatory mechanisms required for human OPC specification.

Abstract Atlantic Halibut (Hippoglossus hippoglossus) has a X/Y genetic sex determination system, but the sex determining factor is not known. We produced a high-quality genome assembly and identified parts of chromosome 13 as the Y chromosome due to sequence divergence between sexes and segregation of sex genotypes in pedigrees. Linkage analysis revealed that all chromosomes exhibit heterochiasmy, i.e. male- and female restricted meiotic recombination intervals (MRR/FRR). We show that FRR/MRR intervals differ in nucleotide diversity and repeat class content and that this is true also for other Pleuronectidae species. We further show that remnants of a Gypsy-like transposable element insertion on chr13 promotes early male specific expression of gonadal somatic cell derived factor (gsdf). Less than 4 MYA, this male-determining element evolved on an autosomal FRR segment featuring pre-existing male meiotic recombination barriers, thereby creating a Y chromosome. We propose that heterochiasmy may facilitate the evolution of genetic sex determination systems.

ABSTRACT Human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelial cells (hESC-RPE) are a promising cell source to treat age-related macular degeneration (AMD). Despite several ongoing clinical studies, detailed single cell mapping of the transient cellular and molecular dynamics from the pluripotent state to mature RPE has not been performed. Here we conduct single-cell transcriptomic analyses of 25,718 cells during differentiation as well as in embryonic and adult retina references, revealing differentiation progression through an un-expected initial cell diversification recapitulating early embryonic development before converging towards an RPE lineage. We also identified NCAM1 to track and capture an intermediate retinal progenitor with the potential to give rise to multiple neuroepithelial lineages. Finally, we profiled hESC-RPE cells after subretinal transplantation into the rabbit eye, uncovering robust in vivo maturation towards an adult state. Our detailed evaluation of hESC-RPE differentiation supports the development of safe and efficient pluripotent stem cell-based therapies for AMD.

Changes in cell identities and positions underlie tissue development and disease progression. Although, single-cell mRNA sequencing (scRNA-Seq) methods rapidly generate extensive lists of cell-states, spatially resolved single-cell mapping presents a challenging task. We developed SCRINSHOT ( S ingle C ell R esolution IN S itu H ybridization O n T issues), a sensitive, multiplex RNA mapping approach. Direct hybridization of padlock probes on mRNA is followed by circularization with SplintR ligase and rolling circle amplification (RCA) of the hybridized padlock probes. Sequential detection of RCA-products using fluorophore-labeled oligonucleotides profiles thousands of cells in tissue sections. We evaluated SCRINSHOT specificity and sensitivity on murine and human organs. SCRINSHOT quantification of marker gene expression shows high correlation with published scRNA-Seq data over a broad range of gene expression levels. We demonstrate the utility of SCRISHOT by mapping the locations of abundant and rare cell types along the murine airways. The amenability, multiplexity and quantitative qualities of SCRINSHOT facilitate single cell mRNA profiling of cell-state alterations in tissues under a variety of native and experimental conditions.

Abstract The human spinal cord contains diverse cell types, governed by a series of spatiotemporal events for tissue assembly and functions. However, the spatiotemporal regulation of cell fate specification in the human developing spinal cord remains largely unknown. Single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics techniques have advanced the understanding of human organ development considerably. By performing integrated analysis of single-cell and spatial multi-omics methods, we created a comprehensive developmental cell atlas of the first trimester human spinal cord. Our data revealed that the cell fate commitment of neural progenitor cells and their spatial positioning are spatiotemporally regulated by specific gene sets. Beyond this resource, we unexpectedly discovered unique events in human spinal cord development compared to rodents, including earlier quiescence of active neural stem cells, different regulation of stem cell differentiation, and distinct spatiotemporal genetic regulations of cell fate choices. In addition, using our atlas we identified specific gene expression in cancer stem cells in ependymomas. Thus, we demonstrate spatiotemporal genetic regulation of human spinal cord development as well as its potential to understand novel disease mechanisms and to inspire new therapies.

Abstract The human brain is capable of highly complex functions that develops through a tightly organized cascade of patterning events, expressed transcription factors and changes in chromatin accessibility. While extensive datasets exist describing gene expression across the developing brain with single-cell resolution, similar atlases of chromatin accessibility have been primarily focused on the forebrain. Here, we focus on the chromatin landscape and paired gene expression across the developing human brain to provide a comprehensive single cell atlas during the first trimester (6 - 13 post-conceptional weeks). We identified 135 clusters across half a million nuclei and using the multiomic measurements linked candidate cis- regulatory elements (cCREs) to gene expression. We found an increase in the number of accessible regions driven both by age and neuronal differentiation. Using a convolutional neural network we identified putative functional TF-binding sites in enhancers characterizing neuronal subtypes and we applied this model to cCREs upstream of ESRRB to elucidate its activation mechanism. Finally, by linking disease-associated SNPs to cCREs we validated putative pathogenic mechanisms in several diseases and identified midbrain-derived GABAergic neurons as being the most vulnerable to major depressive disorder related mutations. Together, our findings provide a higher degree of detail to some key gene regulatory mechanisms underlying the emergence of cell types during the first trimester. We anticipate this resource to be a valuable reference for future studies related to human neurodevelopment, such as identifying cell type specific enhancers that can be used for highly specific targeting in in vitro models.

RNA abundance is a powerful indicator of the state of individual cells, but does not directly reveal dynamic processes such as cellular differentiation. Here we show that RNA velocity - the time derivative of RNA abundance - can be estimated by distinguishing unspliced and spliced mRNAs in standard single-cell RNA sequencing protocols. We show that RNA velocity is a vector that predicts the future state of individual cells on a timescale of hours. We validate the accuracy of RNA velocity in the neural crest lineage, demonstrate its use on multiple technical platforms, reconstruct the branching lineage tree of the mouse hippocampus, and measure RNA kinetics in human embryonic brain. We expect RNA velocity to greatly aid the analysis of developmental lineages and cellular dynamics, particularly in humans.