LINNAEUS reconstructs developmental lineages using RNA sequencing data and lineage markers from the same single cells. A key goal of developmental biology is to understand how a single cell is transformed into a full-grown organism comprising many different cell types. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) is commonly used to identify cell types in a tissue or organ1. However, organizing the resulting taxonomy of cell types into lineage trees to understand the developmental origin of cells remains challenging. Here we present LINNAEUS (lineage tracing by nuclease-activated editing of ubiquitous sequences)—a strategy for simultaneous lineage tracing and transcriptome profiling in thousands of single cells. By combining scRNA-seq with computational analysis of lineage barcodes, generated by genome editing of transgenic reporter genes, we reconstruct developmental lineage trees in zebrafish larvae, and in heart, liver, pancreas, and telencephalon of adult fish. LINNAEUS provides a systematic approach for tracing the origin of novel cell types, or known cell types under different conditions.

Advancing our understanding of embryonic development is heavily dependent on identification of novel pathways or regulators. Although genome-wide techniques such as RNA sequencing are ideally suited for discovering novel candidate genes, they are unable to yield spatially resolved information in embryos or tissues. Microscopy-based approaches, using in situ hybridization, for example, can provide spatial information about gene expression, but are limited to analyzing one or a few genes at a time. Here, we present a method where we combine traditional histological techniques with low-input RNA sequencing and mathematical image reconstruction to generate a high-resolution genome-wide 3D atlas of gene expression in the zebrafish embryo at three developmental stages. Importantly, our technique enables searching for genes that are expressed in specific spatial patterns without manual image annotation. We envision broad applicability of RNA tomography as an accurate and sensitive approach for spatially resolved transcriptomics in whole embryos and dissected organs.

The Wnt signaling pathway controls stem cell identity in the intestinal epithelium and in many other adult organs. The transcription factor Ascl2 (a Wnt target gene) is a master regulator of intestinal stem cell identity. It is unclear how the continuous Wnt gradient along the crypt axis is translated into discrete expression of Ascl2 and discrete specification of stem cells at crypt bottoms. We show that (1) Ascl2 is regulated in a direct autoactivatory loop, leading to a distinct on/off expression pattern, and (2) Wnt/R-spondin can activate this regulatory loop. This mechanism interprets the Wnt levels in the intestinal crypt and translates the continuous Wnt signal into a discrete Ascl2 "on" or "off" decision. In turn, Ascl2, together with β-catenin/Tcf, activates the genes fundamental to the stem cell state. In this manner, Ascl2 forms a transcriptional switch that is both Wnt responsive and Wnt dependent to define stem cell identity.

Summary Nociceptive response belongs to a basic animal behavior facilitating adaptability and survival upon external or internal stimuli. Fish, similarly to higher vertebrates, also possess nociceptive machinery. Current protocols involving procedures performed on adult zebrafish including heart cryoinjury do not, however, take into account the adverse effects including pain that may potentially arise from these methodologies. Here, we assess the effect of two analgesics, lidocaine and morphine, followed after heart cryoinjury in zebrafish. Monitoring swimming behavior together with histology and gene expression analysis at the single cell level using scRNA sequencing and RNAscope fluorescent in situ hybridization technology, we show morphine, but not lidocaine, significantly improves animal welfare 6 hours post-cryoinjury, without impairing the heart regeneration process. Altogether, we propose morphine to be considered as the analgesic of choice to reduce post-surgical pain in adult zebrafish. Highlights Cryoinury could be considered as a potential noxious stimulus in adult zebrafish. Morphine but not lidocaine treatment effectively alleviates noxious effects post-cryoinjury. Lidocaine treatment delays heart repair and regeneration. 6 hours Morphine treatment after cryoinjury does not impede heart regeneration.

Myocardial infarction is a leading cause of death worldwide, as the adult human heart does not have the ability to regenerate efficiently after insults. In contrast, the adult zebrafish heart has a high capacity for regeneration, and understanding the mechanisms of regenerative processes in fish allows identification of novel therapeutic strategies. While several pro-regenerative factors have been described, the cell types orchestrating heart regeneration remain largely elusive. To overcome this conceptual limitation, we dissected cell type diversity in the regenerating zebrafish heart based on single cell transcriptomics and spatiotemporal analysis. We discovered a dramatic induction of several pro-regenerative cell types with fibroblast characteristics. To understand the cascade of events leading to heart regeneration, we determined the origin of these cell types by high-throughput lineage tracing. We found that pro-regenerative fibroblasts are derived from two separate sources, the epicardium and the endocardium. Mechanistically, we identified Wnt signaling as a key regulator of the endocardial regenerative response. In summary, our results uncover specialized fibroblast cell types as major drivers of heart regeneration, thereby opening up new possibilities to interfere with the regenerative capacity of the vertebrate heart.

Embryonic development seemingly proceeds with almost perfect precision. However, it is largely unknown how much underlying microscopic variability is compatible with normal development. Here, we quantified embryo-to-embryo variability in vertebrate development, by studying cell number variation in the zebrafish endoderm. We noticed that the size of a sub- population of the endoderm, the dorsal forerunner cells (which later form the left-right organizer), exhibits significantly more embryo-to-embryo variation than the rest of the endoderm. We found that, when incubated at elevated temperature, the frequency of left-right laterality defects is increased drastically in embryos with a low number of dorsal forerunner cells. Furthermore, we observed that these fluctuations have a large stochastic component among fish of the same genetic background. Hence, a stochastic variation in early development leads to a remarkably strong macroscopic phenotype. These fluctuations appear to be associated with maternal effects in the specification of the dorsal forerunner cells.

DNA accessibility of cis regulatory elements (CREs) dictates transcriptional activity and drives cell differentiation during development. While many of the genes that regulate embryonic development have been described, the underlying CRE dynamics controlling their expression remain largely unknown. To address this, we applied single-cell combinatorial indexing ATAC-seq (sci-ATAC-seq) to whole 24 hours post fertilization (hpf) stage zebrafish embryos and developed a new computational tool, ScregSeg, that selects informative genome segments and classifies complex accessibility dynamics. We integrated the ScregSeg output with bulk measurements for histone post-translational modifications and 3D genome organization, expanding knowledge of regulatory principles between chromatin modalities. Sci-ATAC-seq profiling of npas4l / cloche mutant embryos revealed novel cellular roles for this hemato-vascular transcriptional master regulator and suggests an intricate mechanism regulating its expression. Our work constitutes a valuable resource for future studies in developmental, molecular, and computational biology.

Abstract Regeneration-competent species possess the ability to reverse the progression of severe diseases by restoring the function of the damaged tissue. However, the cellular dynamics underlying this capability remain unexplored. Here, we use single-cell transcriptomics to map de novo β-cell regeneration during induction and recovery from diabetes in zebrafish. We show that the zebrafish has evolved two distinct types of somatostatin-producing δ-cells, which we term δ1- and δ2-cells. Moreover, we characterize a small population of glucose-responsive islet cells, which share the hormones and fate-determinants of both β- and δ1-cells. The transcriptomic analysis of β-cell regeneration reveals that β/δ hybrid cells constitute a prominent source of insulin-expression during diabetes recovery. Using in vivo calcium imaging and cell tracking, we further show that the hybrid cells form de novo and acquire glucose-responsiveness in the course of regeneration. The overexpression of dkk3 , a gene enriched in hybrid cells, increases their formation in the absence of β-cell injury. Finally, interspecies comparison shows that plastic δ1-cells are partially related to PP-cells in the human pancreas. Our work provides an atlas of β-cell regeneration and indicates that the rapid formation of glucose-responsive hybrid cells contributes to the resolution of diabetes in zebrafish

Abstract Simultaneous profiling of single-cell gene expression and lineage history holds enormous potential for studying cellular decision-making beyond simpler pseudotime-based approaches. However, it is currently unclear how lineage and gene expression information across experimental time points can be combined in destructive experiments, which is particularly challenging for in-vivo systems. Here we present moslin, a Fused Gromov-Wasserstein-based model to couple matching cellular profiles across time points. In contrast to existing methods, moslin leverages both intra-individual lineage relations and inter-individual gene expression similarity. We demonstrate on simulated and real data that moslin outperforms state-of-the-art approaches that use either one or both data modalities, even when the lineage information is noisy. On C. elegans embryonic development, we show how moslin, combined with trajectory inference methods, predicts fate probabilities and putative decision driver genes. Finally, we use moslin to delineate lineage relationships among transiently activated fibroblast states during zebrafish heart regeneration. We anticipate moslin to play a crucial role in deciphering complex state change trajectories from lineage-traced single-cell data.

Abstract The hematopoietic niche is a supportive microenvironment comprised of distinct cell types, including specialized vascular endothelial cells that directly interact with hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). The molecular factors that specify niche endothelial cells and orchestrate HSPC homeostasis remain largely unknown. Using multi-dimensional gene expression and chromatin accessibility analyses, we define a conserved gene expression signature and cis -regulatory landscape unique to sinusoidal endothelial cells in the HSPC niche. Using enhancer mutagenesis and transcription factor overexpression, we elucidate a transcriptional code involving members of the Ets, Sox and Nuclear Hormone Receptor families that is sufficient to induce ectopic niche endothelial cells that associate with mesenchymal stromal cells and support the recruitment, maintenance and division of HSPCs in vivo . These studies set forth an approach for generating synthetic HSPC niches, in vitro or in vivo , and for effective therapies to modulate the endogenous niche.