Abstract The mechanisms that allow cells in the plant meristem to coordinate tissue-wide maturation gradients with specialized cell networks are critical for indeterminate growth. Here, we reconstructed the protophloem developmental trajectory of 19 cells from cell birth to terminal differentiation at single cell resolution in the Arabidopsis root. We found that cellular specification is mediated near the stem cell niche by PHLOEM EARLY DOF (PEAR) transcription factors. However, the PEAR dependent differentiation program is repressed by a broad gradient of PLETHORA (PLT) transcription factors, which directly inhibit PEARs’ own direct target ALTERED PHLOEM DEVELOPMENT (APL) . The dissipation of PLT gradient around 7 cells from the stem cell activates APL expression, and a subsequent transitional network that results in a “seesaw” pattern of mutual inhibition over developmental time. Together, we provide a mechanistic understanding of how morphogen-like maturation gradients interface with cell-type specific transcriptional regulators to stage cellular differentiation.

Abstract Common genetic variants modulate the cellular response to viruses and are implicated in a range of immune pathologies, including infectious and autoimmune diseases. The transcriptional antiviral response is known to vary between infected cells from a single individual, yet how genetic variants across individuals modulate the antiviral response (and its cell-to-cell variability) is not well understood. Here, we triggered the antiviral response in human fibroblasts from 68 healthy donors, and profiled tens of thousands of cells using single-cell RNA-seq. We developed GASPACHO (GAuSsian Processes for Association mapping leveraging Cell HeterOgeneity), the first statistical approach designed to identify dynamic eQTLs across a transcriptional trajectory of cell populations, without aggregating single-cell data into pseudo-bulk. This allows us to uncover the underlying architecture and variability of antiviral response across responding cells, and to identify more than two thousands eQTLs modulating the dynamic changes during this response. Many of these eQTLs colocalise with risk loci identified in GWAS of infectious and autoimmune diseases. As a case study, we focus on a COVID-19 susceptibility locus, colocalised with the antiviral OAS1 splicing QTL. We validated it in blood cells from a patient cohort and in the infected nasal cells of a patient with the risk allele, demonstrating the utility of GASPACHO to fine-map and functionally characterise a genetic locus. In summary, our novel analytical approach provides a new framework for delineation of the genetic variants that shape a wide spectrum of transcriptional responses at single-cell resolution.

ABSTRACT Somatic DNA methylation is established early during mammalian development, as embryonic cells transition from naive to primed pluripotency. This precedes the emergence of the three somatic germ layers, but also the segregation of the germline that undergoes genome-wide DNA demethylation after specification. While DNA methylation is essential for embryogenesis, the point at which it becomes critical during differentiation and whether all lineages equally depend on it is unclear. Using culture modeling of cellular transitions, we found that DNA methylation-free embryonic stem cells (ESCs) with a triple DNA methyltransferase knockout (TKO) normally progressed through the continuum of pluripotency states, but demonstrated skewed differentiation abilities towards neural versus other somatic lineages. More saliently, TKO ESCs were fully competent for establishing primordial germ cell-like cells (PGCLCs), even showing temporally extended and self-sustained capacity for the germline fate. By mapping chromatin states, we found that the neural and germline lineages are linked by a similar enhancer dynamics during priming, defined by common sets of methyl-sensitive transcription factors that fail to be decommissioned in absence of DNA methylation. We propose that DNA methylation controls the temporality of a coordinated neural-germline axis of preferred differentiation route during early development.

ABSTRACT Biomedical research relies heavily on the use of model organisms to gain insight into human health and development. Traditionally, the mouse has been the favored vertebrate model, due to its experimental and genetic tractability. Non-rodent embryological studies however highlight that many aspects of early mouse development, including the egg-cylinder topology of the embryo and its method of implantation, diverge from other mammals, thus complicating inferences about human development. In this study, we constructed a morphological and molecular atlas of rabbit development, which like the human embryo, develops as a flat-bilaminar disc. We report transcriptional and chromatin accessibility profiles of almost 180,000 single cells and high-resolution histology sections from embryos spanning gastrulation, implantation, amniogenesis, and early organogenesis. Using a novel computational pipeline, we compare the transcriptional landscape of rabbit and mouse at the scale of the entire organism, revealing that extra-embryonic tissues, as well as gut and PGC cell types, are highly divergent between species. Focusing on these extra-embryonic tissues, which are highly accessible in the rabbit, we characterize the gene regulatory programs underlying trophoblast differentiation and identify novel signaling interactions involving the yolk sac mesothelium during hematopoiesis. Finally, we demonstrate how the combination of both rabbit and mouse atlases can be leveraged to extract new biological insights from sparse macaque and human data. The datasets and analysis pipelines reported here set a framework for a broader cross-species approach to decipher early mammalian development, and are readily adaptable to deploy single cell comparative genomics more broadly across biomedical research.

Abstract The ability of epithelial cells to rewire their cell fate program beyond their physiological repertoire has become a new paradigm in stem cell biology. This plasticity leaves behind the concept of strict stem cell hierarchies, opening up new exciting questions about its limits and underlying regulation. Here we developed a heterotypic 3D culture system to study the mechanisms modulating changes in the identity of adult esophageal epithelial cells. We demonstrate that, when exposed to the foreign stroma of adult skin, esophageal cells transition towards hair follicle identity and architecture. Heterotypic transplantation experiments recapitulated this cell fate conversion process in vivo . Single-cell RNA sequencing and histological analysis, capturing the temporality of this process, reveal that most esophageal cells switching towards skin identity remain in an intermediate state marked by a transient regenerative profile and a particularly strong hypoxic signature. Inhibition of HIF1a establishes the central role of this pathway in regulating epithelial cell plasticity, driving cells away from their transition state in favor of cell fate conversion.

Summary Hematopoietic stem cells (HSCs) cultured outside the body are the fundamental component of a wide range of cellular and gene therapies. Recent efforts have achieved more than 200-fold expansion of functional HSCs, but their molecular characterization has not been possible due to the substantial majority of cells being non-HSCs and single cell-initiated cultures displaying substantial clone-to-clone variability. Using the Fgd5 reporter mouse in combination with the EPCR surface marker, we report exclusive identification of HSCs from non-HSCs in expansion cultures. Linking single clone functional transplantation data with single clone gene expression profiling, we show that the molecular profile of expanded HSCs is similar to actively cycling fetal liver HSCs and shares a gene expression signature with functional HSCs from all sources, including Prdm16 , Fstl1 and Palld . This new tool can now be applied to a wide-range of functional screening and molecular experiments previously not possible due to limited HSC numbers.

Abstract Relaxin/insulin-like-family peptide receptor-4 (RXFP4), the cognate receptor for insulin-like peptide 5 (INSL5), has been implicated in feeding behaviour as Rxfp4 knockout mice display shorter meal durations and reduced high fat diet (HFD) intake. Here, we generated transgenic Rxfp4 -Cre mice to explore Rxfp4 expression and physiology. Using this model, we identified Rxfp4 expression in the central nervous system, including in the ventromedial hypothalamus (VMH). Intra-VMH infusion of INSL5 increased HFD and highly palatable liquid meal intake (HPM) of ad libitum fed wildtype mice. Single-cell RNA-sequencing of VMH Rxfp4 -expressing cells (RXFP4 VMH ) defined a cluster of Rxfp4 -labelled neurons expressing Esr1, Tac1 and Oxtr, alongside known appetite-modulating neuropeptide receptors ( Mc4r , Cckar and Nmur2 ). Viral tracing demonstrated RXFP4 VMH neural projections to the bed nucleus of the stria terminalis, paraventricular hypothalamus, paraventricular thalamus and central nucleus of the amygdala. Utilising designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs), we found that whole body chemogenetic inhibition (Di) of Rxfp4 -expressing cells, mimicking native INSL5-RXFP4 signalling, increased intake of HFD and HPM, whilst activation (Dq), either at whole body level or specifically within the VMH, reduced HFD and HPM intake and altered food preference. Ablating VMH Rxfp4 -expressing cells recapitulated the lower HFD intake phenotype of Rxfp4 knockout mice, resulting in reduced body weight. These findings identify a discrete Rxfp4 -expressing neuronal population as a key regulator of food intake and preference and reveal hypothalamic RXFP4 signalling as a target for feeding behaviour manipulation.

Abstract Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

Abstract The yolk sac (YS) represents an evolutionarily-conserved extraembryonic structure that ensures timely delivery of nutritional support and oxygen to the developing embryo. However, the YS remains ill-defined in humans. We therefore assemble a complete single cell 3D map of human YS from 3-8 post conception weeks by integrating multiomic protein and gene expression data. We reveal the YS as a site of primitive and definitive haematopoiesis including a YS-specific accelerated route to macrophage production, a source of nutritional/metabolic support and a regulator of oxygen-carrying capacity. We reconstruct the emergence of primitive haematopoietic stem and progenitor cells from YS hemogenic endothelium and their decline upon stromal support modulation as intraembryonic organs specialise to assume these functions. The YS therefore functions as ‘three organs in one’ revealing a multifaceted relay of vital organismal functions as pregnancy proceeds. One Sentence Summary Human yolk sac is a key staging post in a relay of vital organismal functions during human pregnancy.

Abstract Background Single cell technologies are transforming biomedical research, including the recent demonstration that unspliced pre-mRNA present in single cell RNA-Seq permits prediction of future expression states. Here we applied this ‘RNA velocity concept’ to an extended timecourse dataset covering mouse gastrulation and early organogenesis. Results Intriguingly, RNA velocity correctly identified epiblast cells as the starting point, but several trajectory predictions at later stages were inconsistent with both real time ordering and existing knowledge. The most striking discrepancy concerned red blood cell maturation, with velocity-inferred trajectories opposing the true differentiation path. Investigating the underlying causes revealed a group of genes with a coordinated step-change in transcription, thus violating the assumptions behind current velocity analysis suites, which do not accommodate time-dependent changes in expression dynamics. Using scRNA-Seq analysis of chimeric mouse embryos lacking the major erythroid regulator Gata1 , we show that genes with the step-changes in expression dynamics during erythroid differentiation fail to be up-regulated in the mutant cells, thus underscoring the coordination of modulating transcription rate along a differentiation trajectory. In addition to the expected block in erythroid maturation, the Gata1 - chimera dataset revealed induction of PU.1 and expansion of megakaryocyte progenitors. Finally, we show that erythropoiesis in human fetal liver is similarly characterized by a coordinated step-change in gene expression. Conclusions By identifying a limitation of the current velocity framework coupled with in vivo analysis of mutant cells, we reveal a coordinated step-change in gene expression kinetics during erythropoiesis, with likely implications for many other differentiation processes.