ABSTRACT Common SNPs are predicted to collectively explain 40-50% of phenotypic variation in human height, but identifying the specific variants and associated regions requires huge sample sizes. Here we show, using GWAS data from 5.4 million individuals of diverse ancestries, that 12,111 independent SNPs that are significantly associated with height account for nearly all of the common SNP-based heritability. These SNPs are clustered within 7,209 non-overlapping genomic segments with a median size of ~90 kb, covering ~21% of the genome. The density of independent associations varies across the genome and the regions of elevated density are enriched for biologically relevant genes. In out-of-sample estimation and prediction, the 12,111 SNPs account for 40% of phenotypic variance in European ancestry populations but only ~10%-20% in other ancestries. Effect sizes, associated regions, and gene prioritization are similar across ancestries, indicating that reduced prediction accuracy is likely explained by linkage disequilibrium and allele frequency differences within associated regions. Finally, we show that the relevant biological pathways are detectable with smaller sample sizes than needed to implicate causal genes and variants. Overall, this study, the largest GWAS to date, provides an unprecedented saturated map of specific genomic regions containing the vast majority of common height-associated variants.

Abstract A variety of experimental and computational methods have been developed to demultiplex samples from pooled individuals in a single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) experiment which either require adding information (such as hashtag barcodes) or measuring information (such as genotypes) prior to pooling. We introduce scSplit which utilises genetic differences inferred from scRNA-Seq data alone to demultiplex pooled samples. scSplit also extracts a minimal set of high confidence presence/absence genotypes in each cluster which can be used to map clusters to original samples. Using a range of simulated, merged individual-sample as well as pooled multi-individual scRNA-Seq datasets, we show that scSplit is highly accurate and concordant with demuxlet predictions. Furthermore, scSplit predictions are highly consistent with the known truth in cell-hashing dataset. We also show that multiplexed-scRNA-Seq can be used to reduce batch effects caused by technical biases. scSplit is ideally suited to samples for which external genome-wide genotype data cannot be obtained (for example non-model organisms), or for which it is impossible to obtain unmixed samples directly, such as mixtures of genetically distinct tumour cells, or mixed infections. scSplit is available at: https://github.com/jon-xu/scSplit

ABSTRACT To assess the transcriptomic profile of disease-specific cell populations, fibroblasts from patients with primary open-angle glaucoma (POAG) were reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs) before being differentiated into retinal organoids and compared to those from healthy individuals. We performed single-cell RNA-sequencing of a total of 330,569 cells and identified cluster-specific molecular signatures. Comparing the gene expression profile between cases and controls, we identified novel genetic associations for this blinding disease. Expression quantitative trait mapping identified a total of 2,235 significant loci across all cell types, 58 of which are specific to the retinal ganglion cell subpopulations, which ultimately degenerate in POAG. Transcriptome-wide association analysis identified genes at loci previously associated with POAG, and analysis, conditional on disease status, implicated 54 statistically significant retinal ganglion cell-specific expression quantitative trait loci. This work highlights the power of large-scale iPSC studies to uncover context-specific profiles for a genetically complex disease.

ABSTRACT Directed evolution uses cycles of gene diversification and selection to generate proteins with novel properties. While traditionally directed evolution is performed in prokaryotic systems, recently a mammalian directed evolution system (viral evolution of genetically actuating sequences, or “VEGAS”) has been described. Here we report that the VEGAS system has major limitations precluding its use for directed evolution. The primary technical issue with the VEGAS system is an immediate contamination with “cheater” particles that bypass directed evolution circuits. By sequencing we find these cheater particles contain Sindbis structural genes instead of the intended directed evolution target transgene. These cheaters outcompete the VEGAS transgenes within 2 rounds of transduction but cannot themselves activate synthetic circuits that drive expression of Sindbis structural genes, preventing directed evolution campaigns. Similar results have been obtained in independent labs. Taken together, the VEGAS system does not work as described and, without significant redesign to suppress cheaters, cannot be used for mammalian directed evolution campaigns.

We differentiated the human embryonic stem cell line H9 into retinal pigment epithelium (RPE) cells to assess temporal changes in transcriptomic profiles of cells. We performed single cell RNA-Sequencing of a total of 16,576 cells, and analysed the resulting data to access the molecular changes of RPE cells across two culture time points (1 and 12 months). Our results indicate the stability of the RPE transcriptomic signature over time in culture, with results indicating maturing populations of RPE could be observed over time, with no evidence of an epithelial mesenchymal transition. Assessment of gene ontology (GO) pathways reveals that as cell cultures age, RPE cells upregulate expression of genes involved in metal binding and antioxidant functions, which might reflect an increased ability to handle oxidative stress as cells mature. Comparison with the transcriptional profiles of native RPE identified a progression towards a maturing RPE profile. These results suggest that in vitro long-term culture of RPE cells allow the modelling of phenotypes observed in native mature tissue. Our work highlights the changing transcriptional landscape of hPSC-derived RPE as they age in culture, which provides a reference for native and patient- samples to be benchmarked against.

Summary Apolipoprotein E (APOE) is the most important susceptibility gene for late onset of Alzheimer’s disease, with the presence of APOE-ε4 associated with increased risk of developing Alzheimer’s disease. Here, we reprogrammed human fibroblasts from individuals with different APOE-ε genotypes into induced pluripotent stem cells, and generated isogenic lines with different APOE profiles. We then differentiated these into cerebral organoids for six months and assessed the suitability of this in vitro system to measure APOE, β amyloid, and Tau phosphorylation levels. We identified intra- and inter-variabilities in the organoids’ cell composition. Using the CRISPR-edited APOE isogenic lines, we observed more homogenous cerebral organoids, and similar levels of APOE, β amyloid, and Tau between the isogenic lines, with the exception of one site of Tau phosphorylation which was higher in the APOE-ε4/ε4 organoids. These data describe that pathological hallmarks of AD are observed in cerebral organoids, and that their variation is mainly independent of the APOE-ε status of the cells, but associated with the high variability of cerebral organoid differentiation. It demonstrates that the batch-to-batch and cell-line-to-cell-line variabilities need to be considered when using cerebral organoids.

ABSTRACT INTRODUCTION Primary open angle glaucoma (POAG) is a leading cause of blindness globally. Characterised by progressive retinal ganglion cell degeneration, the precise pathogenesis remains unknown. Genome-wide association studies (GWAS) have uncovered many genetic variants associated with elevated intraocular pressure (IOP), one of the key risk factors for POAG. This study sought to investigate the morphological and transcriptional consequences of perturbation of key genes at IOP loci in trabecular meshwork cell (TMC); the cellular regulators of IOP. We aimed to identify genetic and morphological variation that can be attributed to TMC dysfunction and raised IOP in POAG. METHODS 62 genes across 55 loci were knocked-out in a primary human TMC line. Each knockout group, including five non-targeting control groups, underwent single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) for differentially-expressed gene (DEG) analysis. Multiplexed fluorescent staining of key organelles, was coupled with high-throughput microscopy for single-cell morphological analysis using CellProfiler image analysis. RESULTS Across many of the individual gene knockouts scRNA-seq highlighted genes relating to matrix metalloproteinases and interferon-induced proteins. Our work has prioritised genes at four loci of interest to identify gene knockouts that may contribute to the pathogenesis of POAG, including ANGPTL2, LMX1B, CAV1, and KREMEN1 . Three genetic networks of gene knockouts with similar transcriptomic profiles were identified ( ABO / CAV1 / MYOC , ANGPT2 / PKHD1 / TNS1 / TXNRD2 , and CAPZA1 / KALRN / LMO7 / PLEKHA7 / GNB1L / TEX41 ), suggesting a synergistic function in trabecular meshwork cell physiology. TEK knockout caused significant upregulation of nuclear granularity on morphological analysis, whilst knockout of TRIOBP, TMCO1 and PLEKHA7 increased granularity and intensity of actin and the cell-membrane. CONCLUSION High throughput analysis of cellular structure and function through multiplex fluorescent single-cell analysis and scRNA-seq assays enabled the direct study of genetic perturbations at the single-cell resolution. This work provides a framework for investigating the role of genes in the pathogenesis of glaucoma and heterogenous diseases with a strong genetic basis.

We used human embryonic stem cell-derived retinal ganglion cells (RGCs) to characterize the transcriptome of 1,174 cells at the single cell level. The human embryonic stem cell line BRN3B-mCherry A81-H7 was differentiated to RGCs using a guided differentiation approach. Cells were harvested at day 36 and subsequently prepared for single cell RNA sequencing. Our data indicates the presence of three distinct subpopulations of cells, with various degrees of maturity. One cluster of 288 cells upregulated genes involved in axon guidance together with semaphorin interactions, cell-extracellular matrix interactions and ECM proteoglycans, suggestive of a more mature phenotype.