Recent technical advancements have facilitated the mapping of epigenomes at single-cell resolution; however, the throughput and quality of these methods have limited their widespread adoption. Here we describe a high-quality (105 nuclear fragments per cell) droplet-microfluidics-based method for single-cell profiling of chromatin accessibility. We use this approach, named 'droplet single-cell assay for transposase-accessible chromatin using sequencing' (dscATAC-seq), to assay 46,653 cells for the unbiased discovery of cell types and regulatory elements in adult mouse brain. We further increase the throughput of this platform by combining it with combinatorial indexing (dsciATAC-seq), enabling single-cell studies at a massive scale. We demonstrate the utility of this approach by measuring chromatin accessibility across 136,463 resting and stimulated human bone marrow-derived cells to reveal changes in the cis- and trans-regulatory landscape across cell types and under stimulatory conditions at single-cell resolution. Altogether, we describe a total of 510,123 single-cell profiles, demonstrating the scalability and flexibility of this droplet-based platform.

The heat shock response (HSR) is critical for survival of all organisms. However, its scope, extent, and the molecular mechanism of regulation are poorly understood. Here we show that the genome-wide transcriptional response to heat shock in mammals is rapid and dynamic and results in induction of several hundred and repression of several thousand genes. Heat shock factor 1 (HSF1), the “master regulator” of the HSR, controls only a fraction of heat shock-induced genes and does so by increasing RNA polymerase II release from promoter-proximal pause. Notably, HSF2 does not compensate for the lack of HSF1. However, serum response factor appears to transiently induce cytoskeletal genes independently of HSF1. The pervasive repression of transcription is predominantly HSF1-independent and is mediated through reduction of RNA polymerase II pause release. Overall, mammalian cells orchestrate rapid, dynamic, and extensive changes in transcription upon heat shock that are largely modulated at pause release, and HSF1 plays a limited and specialized role.

Abstract While recent technical advancements have facilitated the mapping of epigenomes at single-cell resolution, the throughput and quality of these methods have limited the widespread adoption of these technologies. Here, we describe a droplet microfluidics platform for single-cell assay for transposase accessible chromatin (scATAC-seq) for high-throughput single-cell profiling of chromatin accessibility. We use this approach for the unbiased discovery of cell types and regulatory elements within the mouse brain. Further, we extend the throughput of this approach by pairing combinatorial indexing with droplet microfluidics, enabling single-cell studies at a massive scale. With this approach, we measure chromatin accessibility across resting and stimulated human bone marrow derived cells to reveal changes in the cis - and trans- regulatory landscape across cell types and upon stimulation conditions at single-cell resolution. Altogether, we describe a total of 502,207 single-cell profiles, demonstrating the scalability and flexibility of this droplet-based platform.

Rapid perturbation of protein function permits the ability to define primary molecular responses while avoiding down-stream cumulative effects of protein dysregulation. The auxin-inducible degron (AID) system was developed as a tool to achieve rapid and inducible protein degradation in non-plant systems. However, tagging proteins at their endogenous loci results in chronic, auxin-independent degradation by the proteasome. To correct this deficiency, we expressed the Auxin Response Transcription Factor (ARF) in an improved inducible degron system. ARF is absent from previously engineered AID systems, but ARF is a critical component of native auxin signaling. In plants, ARF directly interacts with AID in the absence of auxin and we found that expression of the ARF Phox and Bem1 (PB1) domain suppresses constitutive degradation of AID-tagged proteins. Moreover, the rate of auxin-induced AID degradation is substantially faster in the ARF-AID system. To test the ARF-AID system in a quantitative and sensitive manner, we measured genome-wide changes in nascent transcription after rapidly depleting the ZNF143 transcription factor. Transciptional profiling indicates that ZNF143 activates transcription in cis and ZNF143 regulates promoter-proximal paused RNA Polymerase density. Rapidly inducible degradation systems that preserve the target protein’s native expression levels and patterns will revolutionize the study of biological systems by enabling specific and temporally defined protein dysregulation.

Abstract Cells require coordinated control over gene expression when responding to environmental stimuli. Here, we apply scATAC-seq and scRNA-seq in resting and stimulated human blood cells. Collectively, we generate ∼91,000 single-cell profiles, allowing us to probe the cis -regulatory landscape of immunological response across cell types, stimuli and time. Advancing tools to integrate multi-omic data, we develop FigR - a framework to computationally pair scATAC-seq with scRNA-seq cells, connect distal cis -regulatory elements to genes, and infer gene regulatory networks (GRNs) to identify candidate TF regulators. Utilizing these paired multi-omic data, we define Domains of Regulatory Chromatin (DORCs) of immune stimulation and find that cells alter chromatin accessibility prior to production of gene expression at time scales of minutes. Further, the construction of the stimulation GRN elucidates TF activity at disease-associated DORCs. Overall, FigR enables the elucidation of regulatory interactions across single-cell data, providing new opportunities to understand the function of cells within tissues.

Summary Transcriptionally silent genes must be activated throughout development. This requires nucleosomes be removed from promoters and enhancers to allow transcription factor binding (TFs) and recruitment of coactivators and RNA Polymerase II (Pol II). Specialized pioneer TFs bind nucleosome-wrapped DNA to perform this chromatin opening by mechanisms that remain incompletely understood 1–3 . Here, we show that GAGA-factor (GAF), a Drosophila pioneer factor 4 , interacts with both SWI/SNF and ISWI family chromatin remodelers to allow recruitment of Pol II and entry to a promoter-proximal paused state, and also to promote Pol II’s transition to productive elongation. We found that GAF functions with PBAP (SWI/SNF) to open chromatin and allow Pol II to be recruited. Importantly this activity is not dependent on NURF as previously proposed 5–7 ; however, GAF also functions with NURF downstream of this process to ensure efficient Pol II pause release and transition to productive elongation apparently through its role in precisely positioning the +1 nucleosome. These results demonstrate how a single sequence-specific pioneer TF can synergize with remodelers to activate sets of genes. Furthermore, this behavior of remodelers is consistent with findings in yeast 8–10 and mice 11–13 , and likely represents general, conserved mechanisms found throughout Eukarya.

Adipocytes contribute to metabolic disorders such as obesity, diabetes, and atherosclerosis. Prior characterizations of the transcriptional network driving adipogenesis overlook transiently acting transcription factors (TFs), genes, and regulatory elements that are essential for proper differentiation. Moreover, traditional gene regulatory networks provide neither mechanistic details about individual RE-gene relationships nor temporal information needed to define a regulatory hierarchy that prioritizes key regulatory factors. To address these shortcomings, we integrate kinetic chromatin accessibility (ATAC-seq) and nascent transcription (PRO-seq) data to generate temporally resolved networks that describe TF binding events and resultant effects on target gene expression. Our data indicate which TF families cooperate with and antagonize each other to regulate adipogenesis. Compartment modeling of RNA polymerase density quantifies how individual TFs mechanistically contribute to distinct steps in transcription. Glucocorticoid receptor activates transcription by inducing RNA polymerase pause release while SP and AP1 factors affect RNA polymerase initiation. We identify Twist2 as a previously unappreciated effector of adipocyte differentiation. We find that TWIST2 acts as a negative regulator of 3T3-L1 and primary preadipocyte differentiation. We confirm that Twist2 knockout mice have compromised lipid storage within subcutaneous and brown adipose tissue. Previous phenotyping of Twist2 knockout mice and Setleis syndrome ( Twist2 -/- ) patients noted deficiencies in subcutaneous adipose tissue. This network inference framework is a powerful and general approach for interpreting complex biological phenomena and can be applied to a wide range of cellular processes.

A widespread assumption for single-cell analyses specifies that one cell’s nucleic acids are predominantly captured by one oligonucleotide barcode. However, we show that ∼13-21% of cell barcodes from the 10x Chromium scATAC-seq assay may have been derived from a droplet with more than one oligonucleotide sequence, which we call “barcode multiplets”. We demonstrate that barcode multiplets can be derived from at least two different sources. First, we confirm that ∼4% of droplets from the 10x platform may contain multiple beads. Additionally, we find that ∼5-7% of beads may contain multiple oligonucleotide barcodes. We show that this artifact can confound single-cell analyses, including the interpretation of clonal diversity and proliferation of intra-tumor lymphocytes. Overall, our work provides a conceptual and computational framework to identify and assess the impacts of barcode multiplets in single-cell data.

Abstract Hematopoietic stem cell mutations can result in clonal hematopoiesis (CH) but the clinical outcomes are heterogeneous. The nature of the founder mutation and secondary mutations likely drive emergent neoplastic disease. We investigated how the state of the cell of origin where the Tet2 mutation occurs affects susceptibility to that commonly occurring CH mutation. Here, we provide evidence that risk is written in the epigenome of the cell of origin. By characterizing cell states that underlie myeloid differentiation and linking this information to an inducible system to assess myeloid progenitor clones, we provide evidence that epigenetic markers of the cell where Tet2 mutation occurs stratifies clonal behaviors. Specifically, Sox4 fosters a global cell state of high sensitization towards Tet2 KO. Using GMP and primary HSC models, we show that Sox4 promotes cell dedifferentiation, alters cell metabolism and increases the in vivo clonal output of mutant cells. Our results validate the hypothesis that epigenetic features can predispose specific clones for dominance and explain why an identical mutation can result in different outcomes.

We introduce AtacWorks ( ), a method to denoise and identify accessible chromatin regions from low-coverage or low-quality ATAC-seq data. AtacWorks uses a deep neural network to learn a mapping between noisy ATAC-seq data and corresponding higher-coverage or higher-quality data. To demonstrate the utility of AtacWorks, we train a model on data from four human blood cell types and show that this model accurately denoises chromatin accessibility at base-pair resolution and identifies peaks from low-coverage bulk sequencing of unseen cell types and experimental conditions. We use the same framework to obtain high-quality results from as few as 50 aggregate single-cell ATAC-seq profiles, and also from data with a low signal-to-noise ratio. We further show that AtacWorks can be adapted for cross-modality prediction of transcription factor footprints and ChIP-seq peaks from low input ATAC-seq. Finally, we demonstrate the applications of our approach to single-cell genomics by using AtacWorks to identify regulatory regions that are differentially-accessible between rare lineage-primed subpopulations of hematopoietic stem cells.