Abstract Measurements of gene expression and signal transduction activity are conventionally performed with methods that require either the destruction or live imaging of a biological sample within the timeframe of interest. Here we demonstrate an alternative paradigm, termed ENGRAM ( EN hancer-driven G enomic R ecording of transcriptional A ctivity in M ultiplex), in which the activity and dynamics of multiple transcriptional reporters are stably recorded to DNA. ENGRAM is based on the prime editing-mediated insertion of signal- or enhancer-specific barcodes to a genomically encoded recording unit. We show how this strategy can be used to concurrently genomically record the relative activity of at least hundreds of enhancers with high fidelity, sensitivity and reproducibility. Leveraging synthetic enhancers that are responsive to specific signal transduction pathways, we further demonstrate time- and concentration-dependent genomic recording of Wnt, NF-κB, and Tet-On activity. Finally, by coupling ENGRAM to sequential genome editing, we show how serially occurring molecular events can potentially be ordered. Looking forward, we envision that multiplex, ENGRAM-based recording of the strength, duration and order of enhancer and signal transduction activities has broad potential for application in functional genomics, developmental biology and neuroscience.

Abstract Light-sheet microscopy has emerged as the preferred means for high-throughput volumetric imaging of cleared tissues. However, there is a need for a user-friendly system that can address imaging applications with varied requirements in terms of resolution (mesoscopic to sub-micrometer), sample geometry (size, shape, and number), and compatibility with tissue-clearing protocols and sample holders of various refractive indices. We present a ‘hybrid’ system that combines a novel non-orthogonal dual-objective and conventional (orthogonal) open-top light-sheet architecture for versatile multi-scale volumetric imaging.

Measurements of gene expression or signal transduction activity are conventionally performed using methods that require either the destruction or live imaging of a biological sample within the timeframe of interest. Here we demonstrate an alternative paradigm in which such biological activities are stably recorded to the genome. Enhancer-driven genomic recording of transcriptional activity in multiplex (ENGRAM) is based on the signal-dependent production of prime editing guide RNAs that mediate the insertion of signal-specific barcodes (symbols) into a genomically encoded recording unit. We show how this strategy can be used for multiplex recording of the cell-type-specific activities of dozens to hundreds of cis-regulatory elements with high fidelity, sensitivity and reproducibility. Leveraging signal transduction pathway-responsive cis-regulatory elements, we also demonstrate time- and concentration-dependent genomic recording of WNT, NF-κB and Tet-On activities. By coupling ENGRAM to sequential genome editing via DNA Typewriter

ABSTRACT Embryonic organoids are emerging as powerful models for studying early mammalian development. For example, stem cell-derived ‘gastruloids’ form elongating structures containing all three germ layers 1–4 . However, although elongated, human gastruloids do not morphologically resemble post-implantation embryos. Here we show that a specific, discontinuous regimen of retinoic acid (RA) robustly induces human gastruloids with embryo-like morphological structures, including a neural tube and segmented somites. Single cell RNA-seq (sc-RNA-seq) further reveals that these human ‘RA-gastruloids’ contain more advanced cell types than conventional gastruloids, including neural crest cells, renal progenitor cells, skeletal muscle cells, and, rarely, neural progenitor cells. We apply a new approach to computationally stage human RA-gastruloids relative to somite-resolved mouse embryos, early human embryos and other gastruloid models, and find that the developmental stage of human RA-gastruloids is comparable to that of E9.5 mouse embryos, although some cell types show greater or lesser progression. We chemically perturb WNT and BMP signaling in human RA-gastruloids and find that these signaling pathways regulate somite patterning and neural tube length, respectively, while genetic perturbation of the transcription factors PAX3 and TBX6 markedly compromises the formation of neural crest and somites/renal cells, respectively. Human RA-gastruloids complement other embryonic organoids in serving as a simple, robust and screenable model for decoding early human embryogenesis.

Summary Maternal immune activation (MIA) increases likelihood of altered neurodevelopmental outcomes. Maternal cytokines are proposed to affect fetal brain development in mice; however, the contribution of fetal immunity to neurodevelopmental disorders is largely unexplored. Here, we show that MIA mediated by Toll-like receptor 3 (TLR3), but not other TLRs, induces a specific set of behavioral phenotypes including decreased sociability and increased restricted repetitive behavior in offspring. Accordingly, these behavioral phenotypes were absent when offspring were deficient for Trif , the downstream adapter molecule of TLR3. Using single-cell RNA sequencing, we identified clusters of border-associated macrophages that were significantly enriched in the fetal brain following TLR3-MIA, and these clusters were diminished in Trif −/− fetal brains.Moreover, we found that triggering TLR3-TRIF in offspring can occur through transplacental viral infection, resulting in altered behavioral phenotypes. Collectively, our data indicate that fetal innate immunity contributes to MIA-induced atypical behaviors in mice.

The cell cycle governs the proliferation, differentiation, and regeneration of all eukaryotic cells. Profiling cell cycle dynamics is therefore central to basic and biomedical research spanning development, health, aging, and disease. However, current approaches to cell cycle profiling involve complex interventions that may confound experimental interpretation. To facilitate more efficient cell cycle annotation of microscopy data, we developed CellCycleNet, a machine learning (ML) workflow designed to simplify cell cycle staging with minimal experimenter intervention and cost. CellCycleNet accurately predicts cell cycle phase using only a fluorescent nuclear stain (DAPI) in fixed interphase cells. Using the Fucci2a cell cycle reporter system as ground truth, we collected two benchmarking image datasets and trained two ML models--a support vector machine (SVM) and a deep neural network--to classify nuclei as being in either the G1 or S/G2 phases of the cell cycle. Our results suggest that CellCycleNet outperforms state-of-the-art SVM models on each dataset individually. When trained on two image datasets simultaneously, CellCycleNet achieves the highest classification accuracy, with an improvement in AUROC of 0.08-0.09. The model also demonstrates excellent generalization across different microscopes, achieving an AUROC of 0.95. Overall, using features derived from 3D images, rather than 2D projections of those same images, significantly improves classification performance. We have released our image data, trained models, and software as a community resource.

Microglia are resident immune cells in the central nervous system that play essential roles to maintain homeostasis and neuronal function. Microglia are heterogeneous cells but the mechanisms by which they contribute to normal brain development remain unclear. Here, we show that microglia in the developing striatum and thalamus undergo pyroptosis, a type of lytic cell death that occurs as a result of Caspase-1 (CASP1) activation downstream of inflammasomes. We observe that pyroptosis occurs in a spatiotemporally regulated and Casp1-dependent manner during fetal brain development. Mice lacking Casp1 or the inflammasome regulating molecules, NLRP3, IL-1R, and Gasdermin D exhibit behavior changes characterized by hyperactivity, inattention, and impulsivity that are similar to attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Furthermore, re-expression of Casp1 in Cx3cr1+ cells including microglia restores normal behavior and cell death. We demonstrate that injection of an NLRP3 inhibitor into pregnant wild-type mice is sufficient to induce ADHD-like behaviors in offspring. These data suggest that microglial inflammasome activation and pyroptosis are essential for normal brain development and that genetic and pharmacological disruptions in this pathway may represent new ADHD risk factors.

The house mouse, Mus musculus, is an exceptional model system, combining genetic tractability with close homology to human biology. Gestation in mouse development lasts just under three weeks, a period during which its genome orchestrates the astonishing transformation of a single cell zygote into a free-living pup composed of >500 million cells. Towards a global framework for exploring mammalian development, we applied single cell combinatorial indexing (sci-*) to profile the transcriptional states of 12.4 million nuclei from 83 precisely staged embryos spanning late gastrulation (embryonic day 8 or E8) to birth (postnatal day 0 or P0), with 2-hr temporal resolution during somitogenesis, 6-hr resolution through to birth, and 20-min resolution during the immediate postpartum period. From these data (E8 to P0), we annotate dozens of trajectories and hundreds of cell types and perform deeper analyses of the unfolding of the posterior embryo during somitogenesis as well as the ontogenesis of the kidney, mesenchyme, retina, and early neurons. Finally, we leverage the depth and temporal resolution of these whole embryo snapshots, together with other published data, to construct and curate a rooted tree of cell type relationships that spans mouse development from zygote to pup. Throughout this tree, we systematically nominate sets of transcription factors (TFs) and other genes as candidate drivers of the in vivo differentiation of hundreds of mammalian cell types. Remarkably, the most dramatic shifts in transcriptional state are observed in a restricted set of cell types in the hours immediately following birth, and presumably underlie the massive changes in physiology that must accompany the successful transition of a placental mammal to extrauterine life.

Abstract In situ hybridization (ISH) is a powerful tool for investigating the spatial arrangement of nucleic acid targets in fixed samples. ISH is typically visualized using fluorophores to allow high sensitivity and multiplexing or with colorimetric labels to facilitate co-visualization with histopathological stains. Both approaches benefit from signal amplification, which makes target detection effective, rapid, and compatible with a broad range of optical systems. Here, we introduce a unified technical platform, termed ‘pSABER’, for the amplification of ISH signals in cell and tissue systems. pSABER decorates the in situ target with concatemeric binding sites for a horseradish peroxidase-conjugated oligonucleotide which can then catalyze the massive localized deposition of fluorescent or colorimetric substrates. We demonstrate that pSABER effectively labels DNA and RNA targets, works robustly in cultured cells and challenging formalin fixed paraffin embedded (FFPE) specimens. Furthermore, pSABER can achieve 25-fold signal amplification over conventional signal amplification by exchange reaction (SABER) and can be serially multiplexed using solution exchange. Therefore, by linking nucleic acid detection to robust signal amplification capable of diverse readouts, pSABER will have broad utility in research and clinical settings.