Abstract Skeletal muscle ageing increases the incidence of age-associated frailty and sarcopenia in the elderly worldwide, leading to increased morbidity and mortality. However, our understanding of the cellular and molecular mechanisms of muscle ageing is still far from complete. Here, we generate a single-cell and single-nucleus transcriptomic atlas of skeletal muscle ageing from 15 donors across the adult human lifespan, accompanied by myofiber typing using imaging. Our atlas reveals ageing mechanisms acting across different compartments of the muscle, including muscle stem cells (MuSCs), myofibers and the muscle microenvironment. Firstly, we uncover two mechanisms driving MuSC ageing, namely a decrease in ribosome biogenesis and an increase in inflammation. Secondly, we identify a set of nuclei populations explaining the preferential degeneration of the fast-twitch myofibers and suggest two mechanisms acting to compensate for their loss. Importantly, we identify a neuromuscular junction accessory population, which helps myofiber to compensate for aged-related denervation. Thirdly, we reveal multiple microenvironment cell types contributing to the inflammatory milieu of ageing muscle by producing cytokines and chemokines to attract immune cells. Finally, we provide a comparable mouse muscle ageing atlas and further investigate conserved and specific ageing hallmarks across species. In summary, we present a comprehensive human skeletal muscle ageing resource by combining different data modalities, which significantly expands our understanding of muscle biology and ageing.

Abstract Throughout postnatal life, haematopoiesis in the bone marrow (BM) maintains blood and immune cell production. Haematopoiesis first emerges in human BM at 12 post conception weeks while fetal liver (FL) haematopoiesis is still expanding. Yet, almost nothing is known about how fetal BM evolves to meet the highly specialised needs of the fetus and newborn infant. Here, we detail the development of fetal BM including stroma using single cell RNA-sequencing. We find that the full blood and immune cell repertoire is established in fetal BM in a short time window of 6-7 weeks early in the second trimester. Fetal BM promotes rapid and extensive diversification of myeloid cells, with granulocytes, eosinophils and dendritic cell (DC) subsets emerging for the first time. B-lymphocyte expansion occurs, in contrast with erythroid predominance in FL at the same gestational age. We identify transcriptional and functional differences that underlie tissue-specific identity and cellular diversification in fetal BM and FL. Finally, we reveal selective disruption of B-lymphocyte, erythroid and myeloid development due to cell intrinsic differentiation bias as well as extrinsic regulation through an altered microenvironment in the fetal BM from constitutional chromosome anomaly Down syndrome during this crucial developmental time window.

Summary The consistent production of in vitro chondrocytes that faithfully recapitulate in vivo development would be of great benefit for musculoskeletal disease modelling and regenerative medicine. Current efforts are often limited by off-target differentiation, resulting in a heterogeneous product. Furthermore, the lack of comparison to human embryonic tissue, precludes detailed evaluation of in vitro cells. Here, we perform single-cell RNA sequencing of embryonic long bones dissected from first trimester hind limbs from a range of gestational ages. We combine this with publicly available data to form a detailed atlas of endochondral ossification, which we then use to evaluate a series of published in vitro chondrogenesis protocols, finding substantial variability in cell states produced by each. We apply single-nuclear RNA sequencing to one protocol to enable direct comparison between in vitro and in vivo, and perform trajectory alignment between the two to reveal differentiation dynamics at the single-cell level, shedding new light on off-target differentiation in vitro . Using this information, we inhibit the activity of FOXO1, a transcription factor predicted to be active in embryonic bone development and in chondrogenic cells in vitro , and increase chondrocyte transcripts in vitro. This study therefore presents a new framework for evaluating tissue engineering protocols, using single-cell data from human development to drive improvement and bring the prospect of true engineered cartilage closer to reality.

Abstract Gravitational lensing by massive objects along the line of sight to the source causes distortions to gravitational wave (GW) signals; such distortions may reveal information about fundamental physics, cosmology, and astrophysics. In this work, we have extended the search for lensing signatures to all binary black hole events from the third observing run of the LIGO-Virgo network. We search for repeated signals from strong lensing by (1) performing targeted searches for subthreshold signals, (2) calculating the degree of overlap among the intrinsic parameters and sky location of pairs of signals, (3) comparing the similarities of the spectrograms among pairs of signals, and (4) performing dual-signal Bayesian analysis that takes into account selection effects and astrophysical knowledge. We also search for distortions to the gravitational waveform caused by (1) frequency-independent phase shifts in strongly lensed images, and (2) frequency-dependent modulation of the amplitude and phase due to point masses. None of these searches yields significant evidence for lensing. Finally, we use the nondetection of GW lensing to constrain the lensing rate based on the latest merger-rate estimates and the fraction of dark matter composed of compact objects.

Translational efforts in osteoarthritis are hampered by a gap in our understanding of disease processes at the molecular level. Here, we present evidence of pronounced transcriptional changes in high- and low-disease-grade cartilage tissue, pointing to embryonic processes involved in disease progression. We identify shared transcriptional programs between osteoarthritis cartilage and cell populations in the human embryonic and fetal limb, pointing to increases in pre-hypertrophic chondrocytes' transcriptional programs in low-grade cartilage and increases in osteoblastic signatures in high-grade disease tissue. We find that osteoarthritis genetic risk signals are enriched in six gene co-expression modules and show that these transcriptional signatures reflect cell-type-specific expression along the endochondral ossification developmental trajectory. Using this network approach in combination with causal inference analysis, we present evidence of a causal effect on osteoarthritis risk for variants associated with the expression of ten genes that have not been previously reported as effector genes in genome-wide association studies in osteoarthritis. Our findings point to key molecular pathways as drivers of cartilage degeneration and identify high-value drug targets and repurposing opportunities.

Abstract Human limbs emerge during the fourth post-conception week as mesenchymal buds which develop into fully-formed limbs over the subsequent months. Limb development is orchestrated by numerous temporally and spatially restricted gene expression programmes, making congenital alterations in phenotype common. Decades of work with model organisms has outlined the fundamental processes underlying vertebrate limb development, but an in-depth characterisation of this process in humans has yet to be performed. Here we detail the development of the human embryonic limb across space and time, using both single-cell and spatial transcriptomics. We demonstrate extensive diversification of cells, progressing from a restricted number of multipotent progenitors to myriad mature cell states, and identify several novel cell populations, including neural fibroblasts and multiple distinct mesenchymal states. We uncover two waves of human muscle development, each characterised by different cell states regulated by separate gene expression programmes. We identify musculin (MSC) as a key transcriptional repressor maintaining muscle stem cell identity and validate this by performing MSC knock down in human embryonic myoblasts, which results in significant upregulation of late myogenic genes. Through integration of multiple anatomically continuous spatial transcriptomic samples, we spatially map single-cell clusters across a sagittal section of a whole fetal hindlimb. We reveal a clear anatomical segregation between genes linked to brachydactyly and polysyndactyly, and uncover transcriptionally and spatially distinct populations of mesenchyme in the autopod. Finally, we perform scRNA-seq on murine embryonic limbs to facilitate cross-species developmental comparison at single-cell resolution, finding substantial homology between the two species.

Abstract Positional coding along the anterior-posterior axis is regulated by HOX genes, whose 3’ to 5’ expression correlates with location along this axis. The precise utilisation of HOX genes in different human cell types is not fully understood. Here, we use single-cell and spatial-transcriptomics, along with in-situ sequencing, to create a developmental atlas of the human fetal spine. We analyse HOX gene expression across cell types during development, finding that neural-crest derivatives unexpectedly retain the anatomical HOX code of their origin while also adopting the code of their destination. This trend is confirmed across multiple organs. In the axial plane of the spinal cord, we find distinct patterns in the ventral and dorsal domains, providing insights into motor pool organisation and loss of collinearity in HOXB genes. Our findings shed new light on HOX gene expression in the developing spine, highlighting a HOX gene ‘source code’ in neural-crest cell derivatives.

Abstract Single cell and spatial transcriptomics illuminate complementary features of tissues. However, online dissemination and exploration of integrated datasets is challenging due to the heterogeneity and scale of data. We introduce the WebAtlas pipeline for user-friendly sharing and interactive navigation of integrated datasets. WebAtlas unifies commonly used atlassing technologies into the cloud-optimised Zarr format and builds on Vitessce to enable remote data navigation. We showcase WebAtlas on the developing human lower limb to cross-query cell types and genes across single cell, sequencing- and imaging-based spatial transcriptomic data.