The recent advent of methods for high-throughput single-cell molecular profiling has catalyzed a growing sense in the scientific community that the time is ripe to complete the 150-year-old effort to identify all cell types in the human body. The Human Cell Atlas Project is an international collaborative effort that aims to define all human cell types in terms of distinctive molecular profiles (such as gene expression profiles) and to connect this information with classical cellular descriptions (such as location and morphology). An open comprehensive reference map of the molecular state of cells in healthy human tissues would propel the systematic study of physiological states, developmental trajectories, regulatory circuitry and interactions of cells, and also provide a framework for understanding cellular dysregulation in human disease. Here we describe the idea, its potential utility, early proofs-of-concept, and some design considerations for the Human Cell Atlas, including a commitment to open data, code, and community.

An atlas of microRNA expression patterns and regulators is produced by deep sequencing of short RNAs in human and mouse cells. MicroRNAs (miRNAs) are short non-coding RNAs with key roles in cellular regulation. As part of the fifth edition of the Functional Annotation of Mammalian Genome (FANTOM5) project, we created an integrated expression atlas of miRNAs and their promoters by deep-sequencing 492 short RNA (sRNA) libraries, with matching Cap Analysis Gene Expression (CAGE) data, from 396 human and 47 mouse RNA samples. Promoters were identified for 1,357 human and 804 mouse miRNAs and showed strong sequence conservation between species. We also found that primary and mature miRNA expression levels were correlated, allowing us to use the primary miRNA measurements as a proxy for mature miRNA levels in a total of 1,829 human and 1,029 mouse CAGE libraries. We thus provide a broad atlas of miRNA expression and promoters in primary mammalian cells, establishing a foundation for detailed analysis of miRNA expression patterns and transcriptional control regions.

Kaposi sarcoma is considered a neoplasm of lymphatic endothelium infected with Kaposi sarcoma–associated herpesvirus. It is characterized by the expression of lymphatic lineage–specific genes by Kaposi sarcoma tumor cells. Here we show that infection of differentiated blood vascular endothelial cells with Kaposi sarcoma–associated herpesvirus leads to their lymphatic reprogramming; induction of ∼70% of the main lymphatic lineage–specific genes, including PROX1, a master regulator of lymphatic development; and downregulation of blood vascular genes.

Supercentenarians, people who have reached 110 y of age, are a great model of healthy aging. Their characteristics of delayed onset of age-related diseases and compression of morbidity imply that their immune system remains functional. Here we performed single-cell transcriptome analysis of 61,202 peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), derived from 7 supercentenarians and 5 younger controls. We identified a marked increase of cytotoxic CD4 T cells (CD4 cytotoxic T lymphocytes [CTLs]) as a signature of supercentenarians. Furthermore, single-cell T cell receptor sequencing of 2 supercentenarians revealed that CD4 CTLs had accumulated through massive clonal expansion, with the most frequent clonotypes accounting for 15 to 35% of the entire CD4 T cell population. The CD4 CTLs exhibited substantial heterogeneity in their degree of cytotoxicity as well as a nearly identical transcriptome to that of CD8 CTLs. This indicates that CD4 CTLs utilize the transcriptional program of the CD8 lineage while retaining CD4 expression. Indeed, CD4 CTLs extracted from supercentenarians produced IFN-γ and TNF-α upon ex vivo stimulation. Our study reveals that supercentenarians have unique characteristics in their circulating lymphocytes, which may represent an essential adaptation to achieve exceptional longevity by sustaining immune responses to infections and diseases.

Abstract The human genome is pervasively transcribed and produces a wide variety of long non-coding RNAs (lncRNAs), constituting the majority of transcripts across human cell types. Studying lncRNAs is challenging due to their low expression level, cell type-specific occurrence, poor sequence conservation between orthologs, and lack of information about RNA domains. LncRNAs direct the regulatory factors in the locations that are in cis to their transcription sites. We designed a model to predict if an lncRNA acts in cis based on its features and trained it using RNA-chromatin interaction data. The trained model is cell type-independent and does not require RNA-chromatin data. Combining RNA-chromatin and Hi-C data, we showed that lncRNA-chromatin binding sites are determined by chromosome conformation. For each lncRNA, the spatially proximal genes were identified as their potential targets by combining Hi-C and Cap Analysis Gene Expression (CAGE) data in 18 human cell types. RNA-protein and RNA-chromatin interaction data suggested that lncRNAs act as scaffolds to recruit regulatory proteins to target promoters and enhancers. We provide the data through an interactive visualization web portal at https://fantom.gsc.riken.jp/zenbu/reports/#F6_3D_lncRNA .

Abstract Profiling of cis -regulatory elements (CREs, mostly promoters and enhancers) in single cells allows the interrogation of the cell-type and cell-state-specific contexts of gene regulation and genetic predisposition to diseases. Here we demonstrate single-cell RNA-5′end-sequencing (sc-end5-seq) methods can detect transcribed CREs (tCREs), enabling simultaneous quantification of gene expression and enhancer activities in a single assay at no extra cost. We showed enhancer RNAs can be detected using sc-end5-seq methods with either random or oligo(dT) priming. To analyze tCREs in single cells, we developed SCAFE (Single Cell Analysis of Five-prime Ends) to identify genuine tCREs and analyze their activities ( https://github.com/chung-lab/scafe ). As compared to accessible CRE (aCRE, based on chromatin accessibility), tCREs are more accurate in predicting CRE interactions by co-activity, more sensitive in detecting shifts in alternative promoter usage and more enriched in diseases heritability. Our results highlight additional dimensions within sc-end5-seq data which can be used for interrogating gene regulation and disease heritability.

Abstract Infection of the lungs with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) via the angiotensin I converting enzyme 2 (ACE2) receptor induces a type of systemic inflammation known as a cytokine storm. However, the precise mechanisms involved in severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) pneumonia are unknown. Here, we show that interleukin-10 (IL-10) changed normal alveolar macrophages into ACE2-expressing M2c-type macrophages that functioned as spreading vectors for SARS-CoV-2 infection. The depletion of alveolar macrophages and blockade of IL-10 attenuated SARS-CoV-2 pathogenicity. Furthermore, genome-wide association and quantitative trait locus analyses identified novel mRNA transcripts in human patients, COVID-19 infectivity enhancing dual receptor (CiDRE), which has unique synergistic effects within the IL-10-ACE2 system in M2c-type macrophages. Our results demonstrate that alveolar macrophages stimulated by IL-10 are key players in severe COVID-19. Collectively, CiDRE expression levels are potential risk factors that predict COVID-19 severity, and CiDRE inhibitors might be useful as COVID-19 therapies. Graphical abstract

Lack of diversity and proportionate representation in genomics datasets and databases contributes to inequity in healthcare outcomes globally. The relationships of human diversity with biological and biomedical phenotypes are pervasive, yet remain understudied, particularly in a single-cell genomics context. Here we present the Asian Immune Diversity Atlas (AIDA), a multi-national single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) healthy reference atlas of human immune cells. AIDA comprises 1,265,624 circulating immune cells from 619 healthy donors and 6 controls, spanning 7 population groups across 5 countries. AIDA is one of the largest healthy blood datasets in terms of number of cells, and also the most diverse in terms of number of population groups. Though population groups are frequently compared at the continental level, we identified a pervasive impact of sub-continental diversity on cellular and molecular properties of immune cells. These included cell populations and genes implicated in disease risk and pathogenesis as well as those relevant for diagnostics. We detected single-cell signatures of human diversity not apparent at the level of cell types, as well as modulation of the effects of age and sex by self-reported ethnicity. We discovered functional genetic variants influencing cell type-specific gene expression, including context-dependent effects, which were under-represented in analyses of non-Asian population groups, and which helped contextualise disease-associated variants. We validated our findings using multiple independent datasets and cohorts. AIDA provides fundamental insights into the relationships of human diversity with immune cell phenotypes, enables analyses of multi-ancestry disease datasets, and facilitates the development of precision medicine efforts in Asia and beyond.

Summary Within the scope of FANTOM6 consortium, we perform a large-scale knockdown of 200 long non-coding RNAs (lncRNAs) in human induced pluripotent stem (iPS) cells, and systematically characterize their roles in self-renewal and pluripotency. We find 36 lncRNAs (18%) exhibiting cell growth inhibition From the knockdown of 123 lncRNAs with transcriptome profiling, 36 lncRNAs (29.3%) show molecular phenotypes. Integrating the molecular phenotypes with chromatin-interaction assays further reveals cis - and trans -interacting partners as potential primary targets. Additionally, cell type enrichment analysis identifies lncRNAs associated with pluripotency while the knockdown of LINC02595 , CATG00000090305.1 and RP11-148B6.2 modulates colony formation of iPS cells. We compare our results with previously published fibroblasts phenotyping data and find that 2.9% of the lncRNAs exhibit consistent cell growth phenotype, whereas we observe 58.3% agreement in molecular phenotypes. This highlights molecular phenotyping is more comprehensive in revealing affected pathways.