Microglia are ubiquitous central nervous system (CNS)-resident macrophages that maintain homeostasis of neural tissues and protect them from pathogen attacks. Yet, their differentiation in different compartments remains elusive. We performed single-cell RNA-seq to compare microglial subtypes in the cortex and the spinal cord. A multi-way comparative analysis was carried out on samples from C57/BL and HIV gp120 transgenic mice at two, four, and eight months of age. The results revealed overlapping but distinct microglial populations in the cortex and the spinal cord. The differential heterogeneity of microglia in these CNS regions was further suggested by their disparity of plasticity in response to life span progression and HIV-1 pathogenic protein gp120. Our findings indicate that microglia in different CNS compartments are adapted to their local environments to fulfill region-specific biological functions.

Abstract Lysosomes are multifunctional organelles involved in macromolecule degradation, nutrient sensing and autophagy. Live imaging has revealed lysosome subpopulations with dynamics and characteristic cellular localization. An as-yet unanswered question is whether lysosomes are spatially organized to coordinate and integrate their functions. Combined with super-resolution microscopy, we designed a small organic fluorescent probe, TPAE, that targeted lysosomes with a large Stokes shift. When we analyzed the spatial organization of lysosomes against mitochondria in different cell lines with this probe, we discovered different distance distribution patterns between lysosomes and mitochondria during increased autophagy flux. By using SLC25A46 mutation fibroblasts derived from patients containing highly fused mitochondria with low oxidative phosphorylation, we concluded that unhealthy mitochondria redistributed the subcellular localization of lysosomes, which implies a strong connection between mitochondria and lysosomes.

ABSTRACT The cellular microenvironment together with intrinsic regulators shapes stem cell identity and differentiation capacity. Mammalian early embryos are exposed to hypoxia in vivo and appear to benefit from hypoxic culture in vitro. Yet, components of the hypoxia response and how their interplay impacts stem cell transcriptional networks and lineage choices remain poorly understood. Here we investigated the molecular effects of acute and prolonged hypoxia on distinct embryonic and extraembryonic stem cell types as well as the functional impact on differentiation potential. We find a temporal and cell type-specific transcriptional response including an early primitive streak signature in hypoxic embryonic stem (ES) cells. Using a 3D gastruloid differentiation model, we show that hypoxia-induced T expression enables symmetry breaking and axial elongation in the absence of exogenous WNT activation. Importantly, hypoxia also modulates T levels in conventional gastruloids and enhances representation of endodermal and neural markers. Mechanistically, we identify Hif1α as a central factor that mediates the transcriptional response to hypoxia in balance with epigenetic and metabolic rewiring. Our findings directly link the microenvironment to stem cell function and provide a rationale supportive of applying physiological conditions in models of embryo development

Abstract Human natural killer (NK) cells are essential for controlling infection, cancer and fetal development. NK cell functions are modulated by interactions between polymorphic inhibitory killer cell immunoglobulin-like receptors (KIR) and polymorphic HLA-A, -B and -C ligands expressed on tissue cells. All HLA-C alleles encode a KIR ligand and contribute to reproduction and immunity. In contrast, only some HLA-A and -B alleles encode KIR ligands and they focus on immunity. By high-resolution analysis of KIR and HLA-A , -B and -C genes, we show that the Chinese Southern Han are significantly enriched for interactions between inhibitory KIR and HLA-A and -B. This enrichment has had substantial input through population admixture with neighboring populations, who contributed HLA class I haplotypes expressing the KIR ligands B*46:01 and B*58:01, which subsequently rose to high frequency by natural selection. Consequently, over 80% of Southern Han HLA haplotypes encode more than one KIR ligand. Complementing the high number of KIR ligands, the Chinese Southern Han KIR locus combines a high frequency of genes expressing potent inhibitory KIR, with a low frequency of those expressing activating KIR. The Southern Han centromeric KIR region encodes strong, conserved, inhibitory HLA-C specific receptors, and the telomeric region provides a high number and diversity of inhibitory HLA-A and -B specific receptors. In all these characteristics, the Southern Han represent other East Asians, whose NK cell repertoires are thus enhanced in quantity, diversity and effector strength, likely through natural selection for resistance to endemic viral infections.

Abstract SWI/SNF and related chromatin remodeling complexes act as tissue-specific tumor suppressors and are frequently inactivated in different cancers. Although many regulatory activities of SWI/SNF have been identified using 2D cell culture, the effects of SWI/SNF alterations in more complex 3D tissues have remained poorly understood. Here we employed 3D cell culture conditions that yield transcriptomic states mirroring primary lung adenocarcinoma (LUAD) specimens better than 2D culture. By analyzing spatial patterns of gene expression and DNA accessibility in 3D spheroids using single-cell RNA-seq and ATAC-seq, we find that the SWI/SNF ATPase SMARCA4 (BRG1) induces state-specific changes to DNA accessibility that influence spatially heterogeneous expression patterns and metabolism. In 3D conditions, SMARCA4 promotes accessibility for AP-1 transcription factors, including ATF3, a regulator of metabolism and repressor of NRF2 antioxidant signaling. These changes reduce expression of SLC7A11 in a distinct portion of cells, which sensitizes A549 spheroids to cell death via ferroptosis under oxidizing conditions. Consistent with these results, we find that SMARCA4 alterations are associated with derepression of NRF2 targets in human tumors independently of NRF2/KEAP1 status. Our work reveals new 3D-specific features and unanticipated spatial complexity associated with chromatin remodeling in multicellular tissues.

Summary The visual signal processing in the retina requires the precise organization of diverse neuronal types working in concert. We performed spatial transcriptomic profiling of over 100,000 cells from the mouse retina, uncovering the spatial distribution of all major retina cell types with over 100 cell subtypes. Our data revealed that the retina is organized in a laminar structure at the major cell type and subgroup level, both of which has strong correlation with the birth order of the cell. In contrast, overall random dispersion of cells within sub-laminar layers indicates that retinal mosaics are driven by dendritic field patterning rather than neuron soma placement. Through the integration of single cell transcriptomic and spatial data, we have generated the first comprehensive spatial single cell reference atlas of the mouse retina, a resource to the community and an essential step toward gaining a comprehensive understanding of the mechanism of retinal function. Graphical Abstract

Abstract Identifying replicable genes that display spatial expression patterns from different yet related spatially resolved transcriptomic studies provides stronger scientific evidence and more powerful inference. We present an empirical Bayesian method, STAREG, for identifying replicable spatially variable genes in data generated from various spatially resolved transcriptomic techniques. STAREG models the joint distribution of p -values from different studies with a mixture model and accounts for the heterogeneity of different studies. It provides effective control of the false discovery rate and has higher power by borrowing information across genes and different studies. Moreover, it provides different rankings of important spatially variable genes. With the EM algorithm in combination with pool-adjacent-violator-algorithm (PAVA), STAREG is scalable to datasets with tens of thousands of genes measured on tens of thousands of spatial spots without any tuning parameters. Analyzing three pairs of spatially resolved transcriptomic datasets using STAREG, we show that it makes biological discoveries that otherwise cannot be obtained by using existing methods.

Abstract Analyzing single-cell sequencing data from large cohorts is challenging. Discrepancies across experiments and differences among participants often lead to omissions and false discoveries in differentially expressed genes. We find that the Van Elteren test, a stratified version of the widely used Wilcoxon rank-sum test, elegantly mitigates the problem. We also modified the common language effect size to supplement this test, further improving its utility. On both simulated and real patient data we show the ability of Van Elteren test to control for false positives and false negatives. A comprehensive assessment using receiver operating characteristic (ROC) curve shows that Van Elteren test achieves higher sensitivity and specificity on simulated datasets, compared with nine state-of-the-art differential expression analysis methods. The effect size also estimates the differences between cell types more accurately.

Abstract Background Systematic characterization of how genetic variation modulates gene regulation in a cell type specific context is essential for understanding complex traits. To address this question, we profiled gene expression and chromatin state of cells from healthy retinae of 20 human donors with a single-cell multiomics approach, and performed genomic sequencing. Results We mapped single-cell eQTL (sc-eQTLs), single-cell caQTL (sc-caQTL), single-cell allelic specific chromatin accessibility (sc-ASCA) and single-cell allelic specific expression (sc-ASE) in major retinal cell types. By integrating these results, we identified and characterized regulatory elements and genetic variants effective on gene regulation in individual cell types. Most of the sc-eQTLs and sc-caQTLs identified show cell type specific effects, while the cis-elements containing the genetic variants with cell type specific effects tend to be accessible in multiple cell types. Furthermore, the transcription factors with binding sites perturbed by genetic variants tend to have higher expression in the cell types, where the variants have effect, than the cell types where the variants do not have effect. Finally, we identified the enriched cell types, candidate causal variants and genes, and cell type specific regulatory mechanism underlying GWAS loci. Conclusions Overall, genetic effects on gene regulation are highly context dependent. Our results suggest that among cell types sharing a similar lineage, cell type dependent genetic effect is primarily driven by trans-factors rather than cell type specific chromatin state of cis-elements. Our findings indicate a role for hierarchical transcription factors collaboration in cell type specific effects of genetic variants on gene regulation.

ABSTRACT Purpose To compare the timing and efficiency of the development of non-human primate (NHP) derived retinal organoids in comparison to those derived from human embryonic stem cells. Methods Human embryonic stem cells (hESCs) and induced-pluripotent stem cells (rhiPSCs) derived from non-human primates ( Macaca mulatta ) were differentiated into retinal organoids by using an established differentiation protocol. Briefly, embryoid bodies were formed from pluripotent stem cells and induced into a neural lineage with neural induction media with the addition of BMP4. Thereafter, self-formation of optic vesicles was allowed to form in a 2D culture in retinal differentiation media (RDM). Optic vesicles were then manually harvested and cultured in suspension in 3D-RDM media until analysis. Differences in the timing of differentiation and efficiency of retinal organoid development were assessed by light microscopy, electron microscopy, immunocytochemistry, and single-cell transcriptomics. Results Generation of retinal organoids was achieved from both human and several NHP pluripotent stem cells lines. All rhiPSC lines resulted in retinal differentiation with the formation of optic vesicle-like structures similar to what has been observed in hESC retinal organoids. NHP retinal organoids had laminated structure and were composed of mature retinal cell types including cone and rod photoreceptors. Single cell RNA sequencing was conducted at two time points, which allowed identification of cell types and characterization of developmental trajectory in the developing organoid. Important differences between rhesus and human cells were measured regarding the timing and efficiency of retinal organoid differentiation. While the culture of NHP-derived iPSCs is relatively difficult compared to human stem cells, the generation of retinal organoids is feasible and may be less time consuming due to an intrinsically faster timing of retinal differentiation. Conclusions Retinal organoids produced from iPSCs derived from Rhesus monkey using established protocols differentiate through the stages of organoid development faster than those derived from human stem cells. The production of NHP retinal organoids may be advantageous to reduce experimental time and cost for basic biology studies in retinogenesis as well as for preclinical trials in NHPs studying retinal allograft transplantation.