ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Abstract Cell types can be classified based on shared patterns of transcription. Variability in gene expression between individual cells of the same type has been ascribed to stochastic transcriptional bursting and transient cell states. We asked whether long-term, heritable differences in transcription can impart diversity within a cell type. Studying clonal human lymphocytes and mouse brain cells, we uncover a vast diversity of heritable transcriptional states among different clones of cells of the same type in vivo. In lymphocytes we show that this diversity is coupled to clone specific chromatin accessibility, resulting in distinct expression of genes by different clones. Our findings identify a source of cellular diversity, which may have important implications for how cellular populations are shaped by selective processes in development, aging and disease.

Abstract Plate-based single-cell RNA-sequencing methods with full-transcript coverage typically excel at sensitivity but are more costly and time-consuming. Here, we miniaturized and streamlined the Smart-seq3 protocol for drastically reduced cost and increased throughput. Applying Smart-seq3xpress to 16,349 human peripheral blood mononuclear cells revealed a highly granular atlas complete with both common and rare cell types whose identification previously relied on additional protein measurements or the integration with a reference atlas.

Summary Excitatory neurons arising from a common progenitor establish radially-oriented clonal units in the neocortex which have been proposed to serve as elementary information processing modules. To characterize the cell types and circuit diagram within these clonal units, we performed single-cell RNA-sequencing and multi-cell patch clamp recordings of neurons derived from Nestin -positive progenitors. We found that radial clones do not appear to be fate-restricted, but instead individual clones are composed of a random sampling of the transcriptomic cell types present in a particular cortical area. The effect of lineage on synaptic connectivity depends on the type of connection tested: pairs of clonally related neurons were more likely to be connected vertically, across cortical layers, but not laterally within the same layer, compared to unrelated pairs. We propose that integration of vertical input from related neurons with lateral input from unrelated neurons may represent a developmentally programmed motif for assembling neocortical circuits.

Abstract Rare multipotent stem cells replenish millions of blood cells per second through a time-consuming process, passing through multiple stages of increasingly lineage-restricted progenitors. Although insults to the blood-forming system highlight the need for more rapid blood replenishment from stem cells, established models of hematopoiesis implicate only one mandatory differentiation pathway for each blood cell lineage. Here, we establish a nonhierarchical relationship between distinct stem cells that replenish all blood cell lineages and stem cells that replenish almost exclusively platelets, a lineage essential for hemostasis and with important roles in both the innate and adaptive immune systems. These distinct stem cells use cellularly, molecularly and functionally separate pathways for the replenishment of molecularly distinct megakaryocyte-restricted progenitors: a slower steady-state multipotent pathway and a fast-track emergency-activated platelet-restricted pathway. These findings provide a framework for enhancing platelet replenishment in settings in which slow recovery of platelets remains a major clinical challenge.

Abstract Formation of tissue-specific transcriptional programs underlies multicellular development, but how the chromatin landscape influences transcription is not fully understood. Here we comprehensively resolve differential transcriptional and chromatin states during Drosophila dorsoventral (DV) patterning. We find that RNA Polymerase II pausing is established at DV promoters prior to zygotic genome activation (ZGA), that pausing persists irrespective of cell fate, but that release into productive elongation is tightly regulated and accompanied by tissue-specific P-TEFb recruitment. DV enhancers acquire distinct tissue-specific chromatin states through CBP-mediated histone acetylation that predict the transcriptional output of target genes, whereas promoter states are more tissue invariant. Transcriptome-wide inference of burst kinetics in different cell types revealed that while DV genes are generally characterized by a high burst size, either burst size or frequency can differ between tissues. The data suggest that pausing is established by pioneer transcription factors prior to ZGA and that release from pausing is imparted by enhancer chromatin state to regulate bursting in a tissue-specific manner in the early embryo. Our results uncover how developmental patterning is orchestrated by tissue-specific bursts of transcription from Pol II primed promoters in response to enhancer regulatory cues.

Abstract We propose PhylEx: a clonal-tree reconstruction method that integrates bulk genomics and single-cell transcriptomics data. In addition to the clonal-tree, PhylEx also assigns single-cells to clones, which effectively produce clonal expression profiles, and generates clonal genotypes. By analyzing scRNA-seq integrated with bulk DNA-seq, PhylEx can take advantage of co-occurrences of the mutations found in the cells. In the probabilistic model underlying PhylEx, the raw read counts from scRNA-seq follow a mixture of Beta-Binomial distributions, which accounts for the sparse nature of single-cell gene expression data; the mixture lessens the penalty caused by mutations not observed due to mono-allelic expression. We rigorously evaluated PhylEx on simulated datasets as well as a biological dataset consisting of a previously well-characterized high-grade serous ovarian cancer (HGSOC) cell line. PhylEx outperformed the state-of-the-art methods by a wide margin both when comparing capacity for clonal-tree reconstruction and capacity for correctly clustering mutations. By analyzing HGSOC and HER2+ breast cancer data, we also show that PhylEx clears the way for phylo-phenotypic analysis of cancer, i.e., that the clonal expression profiles, induced by the cell-to-clone assignments, can be exploited in a manner beyond what is possible with only expression-based clustering.

Abstract Molecule counting is central to single-cell sequencing, yet no experimental strategy to evaluate counting performance exists. Here, we introduce molecular spikes , novel RNA spike-ins containing inbuilt unique molecular identifiers that we use to identify critical experimental and computational conditions for accurate RNA counting across single-cell RNA-sequencing methods. The molecular spikes are a new gold standard that can be widely used to validate RNA counting in single cells.

Our previous single-cell RNA-seq data from human preimplantation embryos showed that female X-chromosome mRNA levels become partly dose compensated during the timespan between zygotic genome activation (ZGA) and implantation. At the same time, XIST RNA is expressed from, and forms clouds in proximity to, both X-chromosome copies and biallelic expression of other X-linked genes persists. We proposed that X-chromosome transcription is transiently lowered on both alleles before X-chromosome inactivation (XCI) takes place. This notion was recently challenged in a reanalysis performed by Moreira de Mello et al, claiming to provide evidence against biallelic expression dampening and that instead proper XCI was responsible for the observed dosage compensation. Here we have addressed this reanalysis and highlighted methodological issues, and we conclude a current lack of evidence against biallelic X-chromosome dampening.

Cortical neurons exhibit astounding diversity in gene expression as well as in morphological and electrophysiological properties. Most existing neural taxonomies are based on either transcriptomic or morpho-electric criteria, as it has been technically challenging to study both aspects of neuronal diversity in the same set of cells. Here we used Patch-seq to combine patch-clamp recording, biocytin staining, and single-cell RNA sequencing of over 1300 neurons in adult mouse motor cortex, providing a comprehensive morpho-electric annotation of almost all transcriptomically defined neural cell types. We found that, although broad families of transcriptomic types (Vip, Pvalb, Sst, etc.) had distinct and essentially non-overlapping morpho-electric phenotypes, individual transcriptomic types within the same family were not well-separated in the morpho-electric space. Instead, there was a continuum of variability in morphology and electrophysiology, with neighbouring transcriptomic cell types showing similar morpho-electric features, often without clear boundaries between them. Our results suggest that neural types in the neocortex do not always form discrete entities. Instead, neurons follow a hierarchy consisting of distinct non-overlapping branches at the level of families, but can form continuous and correlated transcriptomic and morpho-electrical landscapes within families.