The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

Single-cell RNA-seq, together with RNA velocity and metabolic labeling, reveals cellular states and transitions at unprecedented resolution. Fully exploiting these data, however, requires dynamical models capable of predicting cell fate and unveiling the governing regulatory mechanisms. Here, we introduce dynamo , an analytical framework that reconciles intrinsic splicing and labeling kinetics to estimate absolute RNA velocities, reconstructs velocity vector fields that predict future cell fates, and finally employs differential geometry analyses to elucidate the underlying regulatory networks. We applied dynamo to a wide range of disparate biological processes including prediction of future states of differentiating hematopoietic stem cell lineages, deconvolution of glucocorticoid responses from orthogonal cell-cycle progression, characterization of regulatory networks driving zebrafish pigmentation, and identification of possible routes of resistance to SARS-CoV-2 infection. Our work thus represents an important step in going from qualitative, metaphorical conceptualizations of differentiation, as exemplified by Waddington’s epigenetic landscape, to quantitative and predictive theories.

Abstract Single cell technologies have rapidly generated an unprecedented amount of data that enables us to understand biological systems at single-cell resolution. However, joint analysis of datasets generated by independent labs remains challenging due to a lack of consistent terminology to describe cell types. Here, we present OnClass, an algorithm and accompanying software for automatically classifying cells into cell types part of the controlled vocabulary that forms the Cell Ontology. A key advantage of OnClass is its capability to classify cells into cell types not present in the training data because it uses the Cell Ontology graph to infer cell type relationships. Furthermore, OnClass can be used to identify marker genes for all the cell ontology categories, independently of whether the cells types are present or absent in the training data, suggesting that OnClass can be used not only as an annotation tool for single cell datasets but also as an algorithm to identify marker genes specific to each term of the Cell Ontology, offering the possibility of refining the Cell Ontology using a data-centric approach.

The immune phenotype of a tumour is a key predictor of its response to immunotherapy1-4. Patients who respond to checkpoint blockade generally present with immune-inflamed5-7 tumours that are highly infiltrated by T cells. However, not all inflamed tumours respond to therapy, and even lower response rates occur among tumours that lack T cells (immune desert) or that spatially exclude T cells to the periphery of the tumour lesion (immune excluded)8. Despite the importance of these tumour immune phenotypes in patients, little is known about their development, heterogeneity or dynamics owing to the technical difficulty of tracking these features in situ. Here we introduce skin tumour array by microporation (STAMP)-a preclinical approach that combines high-throughput time-lapse imaging with next-generation sequencing of tumour arrays. Using STAMP, we followed the development of thousands of arrayed tumours in vivo to show that tumour immune phenotypes and outcomes vary between adjacent tumours and are controlled by local factors within the tumour microenvironment. Particularly, the recruitment of T cells by fibroblasts and monocytes into the tumour core was supportive of T cell cytotoxic activity and tumour rejection. Tumour immune phenotypes were dynamic over time and an early conversion to an immune-inflamed phenotype was predictive of spontaneous or therapy-induced tumour rejection. Thus, STAMP captures the dynamic relationships of the spatial, cellular and molecular components of tumour rejection and has the potential to translate therapeutic concepts into successful clinical strategies.

Summary Glioblastoma is the most common primary brain cancer in adults and is notoriously difficult to treat due to its diffuse nature. We performed single-cell RNAseq on 3589 cells in a cohort of four patients. We obtained cells from the tumor core as well as surrounding peripheral tissue. Our analysis revealed cellular variation in the tumor’s genome and transcriptome, We were able to identify infiltrating neoplastic cells in regions peripheral to the core lesions. Despite the existence of significant heterogeneity among neoplastic cells, we found that infiltrating GBM cells share a consistent gene signature between patients, suggesting a common mechanism of infiltration. Additionally, in investigating the immunological response to the tumors, we found transcriptionally distinct myeloid cell populations residing in the tumor core and the surrounding peritumoral space. Our data provide a detailed dissection of GBM cell types, revealing an abundance of novel information about tumor formation and migration.

Slowing or reversing biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality. While an increasing number of interventions show promise for rejuvenation, the effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. We performed single-cell RNA-sequencing on 13 organs to reveal cell type specific responses to young or aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, hematopoietic stem cells, hepatocytes, and endothelial cells from multiple tissues appear especially responsive. On the pathway level, young blood invokes novel gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. Intriguingly, we observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it. Altogether, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

Abstract Animal regeneration requires coordinated responses of many cell types throughout the animal body. In animals carrying endosymbionts, cells from the other species may also participate in regeneration, but how cellular responses are integrated across species is yet to be unraveled. Here, we study the acoel Convolutriloba longifissura , which hosts symbiotic Tetraselmis green algae and can regenerate entire bodies from small tissue fragments. We show that animal injury leads to a decline in the photosynthetic efficiency of the symbiotic algae and concurrently induces upregulation of a cohort of photosynthesis-related genes. A deeply conserved animal transcription factor, runt , is induced after injury and required for the acoel regeneration. Knockdown of runt also dampens algal transcriptional responses to the host injury, particularly in photosynthesis related pathways, and results in further reduction of photosynthetic efficiency post-injury. Our results suggest that the runt- dependent animal regeneration program coordinates wound responses across the symbiotic partners and regulates photosynthetic carbon assimilation in this metaorganism.

Abstract IgE antibodies provide defense against helminth infections, but can also cause life-threatening allergic reactions. Despite their importance to human health, these antibodies and the cells that produce them remain enigmatic due to their scarcity in humans; much of our knowledge of their properties is derived from model organisms. Here we describe the isolation of IgE producing B cells from the blood of individuals with food allergies, followed by a detailed study of their properties by single cell RNA sequencing (scRNA-seq). We discovered that IgE B cells are deficient in membrane immunoglobulin expression and that the IgE plasmablast state is more immature than that of other antibody producing cells. Through recombinant expression of monoclonal antibodies derived from single cells, we identified IgE antibodies which had unexpected cross-reactive specificity for major peanut allergens Ara h 2 and Ara h 3; not only are these among the highest affinity native human antibodies discovered to date, they represent a surprising example of convergent evolution in unrelated individuals who independently evolved nearly identical antibodies. Finally, we discovered that splicing within B cells of all isotypes reveals polarized germline transcription of the IgE, but not IgG4, isotype as well as several examples of biallelic expression of germline transcripts. Our results offer insights into IgE B cell transcriptomics, clonality and regulation, provide a striking example of adaptive immune convergence, and offer an approach for accelerating mechanistic disease understanding by characterizing a rare B cell population underlying IgE-mediated disease at single cell resolution.

ABSTRACT Pulmonary neuroendocrine cells (PNECs) are sensory epithelial cells that transmit airway status to the brain via sensory neurons and locally via CGRP and GABA. Several other neuropeptides and neurotransmitters have been detected in various species, but the number, targets, functions, and conservation of PNEC signals are largely unknown. We used scRNAseq to profile hundreds of the rare mouse and human PNECs. This revealed >40 PNEC neuropeptide and peptide hormone genes, most cells expressing unique combinations of 5-18 genes. Peptides are packaged in separate vesicles, release presumably regulated by the distinct, multimodal combinations of sensors expressed by each PNEC. Expression of cognate receptors predicts an array of local targets, and we show the new PNEC signal angiotensin directly activates innervating sensory neurons. Many signals lack lung targets so may have endocrine activity like those of PNEC- derived carcinoid tumors. PNECs are an extraordinarily rich and diverse signaling hub rivaling the enteroendocrine system.

Recent evidence suggests that the interaction between the tumor microenvironment (TME) and systemic host environment can alter the host immune system to promote anti-tumor activity. Here, we investigated whether glomerular immune injury affects cancer progression. We used nephrotoxic serum nephritis (NTN), a model for glomerular immune injury, and followed it by cancer cell implantation. NTS-injected mice developed smaller primary tumors compared with controls. Tumors of NTS-injected mice had more activated CD8 T cells, suggesting a role for the immune system in the anti-tumor phenotype. Using RNA-seq data, we identified transcriptomic alterations in the bone marrow following NTN. Moreover, using scRNA-seq of white blood cells following NTN we found these transcriptomic alterations were reflected in γδ T cells and neutrophils. This is the first study to show that glomerular immune injury changes the transcription of cells in the bone marrow to advance anti-tumor activity. Our study highlights the pivotal role of BM-mediated transcriptional alterations underlying the enhanced host immunity to tumor growth.