The function of the mammalian brain relies upon the specification and spatial positioning of diversely specialized cell types. Yet, the molecular identities of the cell types and their positions within individual anatomical structures remain incompletely known. To construct a comprehensive atlas of cell types in each brain structure, we paired high-throughput single-nucleus RNA sequencing with Slide-seq1,2-a recently developed spatial transcriptomics method with near-cellular resolution-across the entire mouse brain. Integration of these datasets revealed the cell type composition of each neuroanatomical structure. Cell type diversity was found to be remarkably high in the midbrain, hindbrain and hypothalamus, with most clusters requiring a combination of at least three discrete gene expression markers to uniquely define them. Using these data, we developed a framework for genetically accessing each cell type, comprehensively characterized neuropeptide and neurotransmitter signalling, elucidated region-specific specializations in activity-regulated gene expression and ascertained the heritability enrichment of neurological and psychiatric phenotypes. These data, available as an online resource ( www.BrainCellData.org ), should find diverse applications across neuroscience, including the construction of new genetic tools and the prioritization of specific cell types and circuits in the study of brain diseases.

Abstract A major challenge in human genomics is to decipher the context specific relationship of sequence to function. However, existing tools for locus specific hypermutation and evolution in the native genome context are limited. Here we present a novel programmable platform for long-range, locus-specific hypermutation called helicase-assisted continuous editing (HACE). HACE leverages CRISPR-Cas9 to target a processive helicase-deaminase fusion that incurs mutations across large (>1000 bp) genomic intervals. We applied HACE to identify mutations in MEK1 that confer kinase inhibitor resistance, to dissect the impact of individual variants in SF3B1-dependent mis-splicing, and to evaluate noncoding variants in a stimulation-dependent immune enhancer of CD69. HACE provides a powerful tool for investigating coding and noncoding variants, uncovering combinatorial sequence-to-function relationships, and evolving new biological functions. One Sentence Summary We developed a tool for continuous, long-range, targeted diversification of endogenous mammalian genomes and used it to explore the function of genetic variants in both coding and non-coding regions.

The precise spatial localization of molecular signals within tissues richly informs the mechanisms of tissue formation and function. Previously, we developed Slide-seq, a technology which enables transcriptome-wide measurements with 10-micron spatial resolution. Here, we report new modifications to Slide-seq library generation, bead synthesis, and array indexing that markedly improve the mRNA capture sensitivity of the technology, approaching the efficiency of droplet-based single-cell RNAseq techniques. We demonstrate how this modified protocol, which we have termed Slide-seqV2, can be used effectively in biological contexts where high detection sensitivity is important. First, we deploy Slide-seqV2 to identify new dendritically localized mRNAs in the mouse hippocampus. Second, we integrate the spatial information of Slide-seq data with single-cell trajectory analysis tools to characterize the spatiotemporal development of the mouse neocortex. The combination of near-cellular resolution and high transcript detection will enable broad utility of Slide-seq across many experimental contexts.

Although DNA is increasingly being adopted as a generalizable medium for information storage and transfer, reliable methods for ensuring information security remain to be addressed. In this study, we developed and validated a cryptographic encoding scheme, Genomic Sequence Encryption (GSE), to address the challenge of information confidentiality and integrity in biological substrates. GSE enables genomic information encoding that is readable only with a cryptographic key. We show that GSE can be used for cell signatures that enable the recipient of a cell line to authenticate its origin and validate if the cell line has been modified in the interim. We implement GSE through multi-site base editing and encode information through editing across >100 genomic sites in mammalian cells. We further present an enrichment step to obtain individual stem cells with more than two dozen edits across a single genome with minimal screening. This capability can be used to introduce encrypted signatures in living animals. As an encryption scheme, GSE is falsification-proof and enables secure information transfer in biological substrates.

Abstract Mesenchymal plasticity has been extensively described in advanced and metastatic epithelial cancers; however, its functional role in malignant progression, metastatic dissemination and therapy response is controversial. More importantly, the role of epithelial mesenchymal transition (EMT) and cell plasticity in tumor heterogeneity, clonal selection and clonal evolution is poorly understood. Functionally, our work clarifies the contribution of EMT to malignant progression and metastasis in pancreatic cancer. We leveraged ad hoc somatic mosaic genome engineering, lineage tracing and ablation technologies and dynamic genetic reporters to trace and ablate tumor-specific lineages along the phenotypic spectrum of epithelial to mesenchymal plasticity. The experimental evidences clarify the essential contribution of mesenchymal lineages to pancreatic cancer evolution and metastatic dissemination. Spatial genomic analysis combined with single cell transcriptomic and epigenomic profiling of epithelial and mesenchymal lineages reveals that EMT promotes with the emergence of chromosomal instability (CIN). Specifically tumor lineages with mesenchymal features display highly conserved patterns of genomic evolution including complex structural genomic rearrangements and chromotriptic events. Genetic ablation of mesenchymal lineages robustly abolished these mutational processes and evolutionary patterns, as confirmed by cross species analysis of pancreatic and other human epithelial cancers. Mechanistically, we discovered that malignant cells with mesenchymal features display increased chromatin accessibility, particularly in the pericentromeric and centromeric regions, which in turn results in delayed mitosis and catastrophic cell division. Therefore, EMT favors the emergence of high-fitness tumor cells, strongly supporting the concept of a cell-state, lineage-restricted patterns of evolution, where cancer cell sub-clonal speciation is propagated to progenies only through restricted functional compartments. Restraining those evolutionary routes through genetic ablation of clones capable of mesenchymal plasticity and extinction of the derived lineages completely abrogates the malignant potential of one of the most aggressive form of human cancer.

SUMMARY Neuroblastoma is a pediatric cancer arising from the developing sympathoadrenal lineage with complex inter- and intra-tumoral heterogeneity. To chart this complexity, we generated a comprehensive cell atlas of 55 neuroblastoma patient tumors, collected from two pediatric cancer institutions, spanning a range of clinical, genetic, and histologic features. Our atlas combines single-cell/nucleus RNA-seq (sc/scRNA-seq), bulk RNA-seq, whole exome sequencing, DNA methylation profiling, spatial transcriptomics, and two spatial proteomic methods. Sc/snRNA-seq revealed three malignant cell states with features of sympathoadrenal lineage development. All of the neuroblastomas had malignant cells that resembled sympathoblasts and the more differentiated adrenergic cells. A subset of tumors had malignant cells in a mesenchymal cell state with molecular features of Schwann cell precursors. DNA methylation profiles defined four groupings of patients, which differ in the degree of malignant cell heterogeneity and clinical outcomes. Using spatial proteomics, we found that neuroblastomas are spatially compartmentalized, with malignant tumor cells sequestered away from immune cells. Finally, we identify spatially restricted signaling patterns in immune cells from spatial transcriptomics. To facilitate the visualization and analysis of our atlas as a resource for further research in neuroblastoma, single cell, and spatial-omics, all data are shared through the Human Tumor Atlas Network Data Commons at www.humantumoratlas.org .

Gaining a systematic molecular understanding of tissue physiology in health and disease will require the ability to rapidly profile the abundances of many genes at high resolution over large tissue volumes. Many current methods of imaging transcriptomics are based on single-molecule fluorescent in situ hybridization, with barcodes to allow multiplexing across genes. These approaches have serious limitations with respect to (i) the number of genes that can be studied and (ii) imaging time, due to the need for high-resolution to resolve individual signals. Here, we show that both challenges can be overcome by introducing an approach that leverages the biological fact that gene expression is often structured across both cells and tissue organization. We develop Composite In Situ Imaging (CISI), that combines this biological insight with algorithmic advances in compressed sensing to achieve greater efficiency. We demonstrate that CISI accurately recovers the spatial abundance of each of 37 individual genes in the mouse primary motor cortex (MOp) from 10 composite measurements and without the need for spot-level resolution. CISI achieves the current scale of multiplexing with an order of magnitude greater efficiency, and can be leveraged in combination with existing methods to multiplex far beyond current scales.