The sequence of the mouse genome is a key informational tool for understanding the contents of the human genome and a key experimental tool for biomedical research. Here, we report the results of an international collaboration to produce a high-quality draft sequence of the mouse genome. We also present an initial comparative analysis of the mouse and human genomes, describing some of the insights that can be gleaned from the two sequences. We discuss topics including the analysis of the evolutionary forces shaping the size, structure and sequence of the genomes; the conservation of large-scale synteny across most of the genomes; the much lower extent of sequence orthology covering less than half of the genomes; the proportions of the genomes under selection; the number of protein-coding genes; the expansion of gene families related to reproduction and immunity; the evolution of proteins; and the identification of intraspecies polymorphism.

Abstract Protein post-translational modifications (PTMs) add an enormous amount of sophistication to biological systems but their origins are largely unexplored. Citrullination, a key regulatory mechanism in human physiology and pathophysiology, is particularly enigmatic in an evolutionary context. The citrullinating enzymes peptidylarginine deiminases (PADIs) are ubiquitous across vertebrates but absent from yeast, worms and flies. Here, we map the surprising evolutionary trajectory of PADIs into the animal lineage. We present strong phylogenetic support for a clade encompassing animal and cyanobacterial PADIs that excludes fungal and other bacterial homologues. The animal and cyanobacterial PADIs share unique, functionally relevant synapomorphies that are absent from all other homologues. Molecular clock calculations and sequence divergence analyses using the fossil record estimate the last common ancestor of the cyanobacterial and animal PADIs to be approximately 1 billion years old, far younger than the 3.35-4.52 billion years known to separate bacterial and eukaryotic lineages. Under an assumption of vertical descent, PADI sequence change is anachronistically slow during this evolutionary time frame, even when compared to mitochondrial proteins, products of likely endosymbiont gene transfer and some of the most highly conserved proteins in life. The consilience of evidence indicates that PADIs were introduced from cyanobacteria into animals by horizontal gene transfer (HGT). The ancestral cyanobacterial protein is enzymatically active and can citrullinate eukaryotic proteins, suggesting that the PADI HGT event introduced a new catalytic capability into the regulatory repertoire of animals. This study reveals the unusual evolution of a pleiotropic protein modification with clear relevance in human physiology and disease.

Summary The spinal cord neural stem cell potential resides within the ependymal cells lining the central canal. These cells are, however, heterogeneous, and we know little about the biological diversity this represents. Here we use single-cell RNA-sequencing to profile adult mouse spinal cord ependymal cells. We uncover transcriptomes of known subtypes and a new mature ependymal cell state, that becomes more prominent with age. Comparison of ependymal cell transcriptomes from the brain and spinal cord revealed that ongoing cell maturation distinguishes spinal cord ependymal cells from their postmitotic brain counterparts. Using an ex vivo model of spinal cord injury, we show that ependymal cell maturation is reversible but also highly regulated. We revisit ependymal cell identities in adult human spinal cord and uncover evidence for their maturation and surprising ventralisation with age. This first in-depth characterisation of spinal cord ependymal cells paves the way to manipulation of distinct ependymal subtypes, provides insights into ependymal cell maturation dynamics and informs strategies for coaxing ependymal cell-driven spinal cord repair.

During thymic negative selection, medullary thymic epithelial cells (mTEC) collectively express most protein coding genes, a process termed promiscuous gene expression (PGE). Although PGE is crucial for inducing central T-cell tolerance, this process has not been established definitively as being either stochastic or coordinated. To resolve this question, we sequenced the transcriptomes of 6,894 single mTEC, including 1,795 rare cells expressing either of two tissue-restricted antigens, TSPAN8 or GP2. Transcriptional heterogeneity allowed partitioning of mTEC into 15 robustly-defined subpopulations representing distinct maturational stages and subtypes. Although 50 gene co-expression groups were robustly identified, few could be explained by chromosomal location, biological pathway, or tissue specificity. Further, GP2+ mTEC were randomly dispersed spatially within medullary islands. Thus although PGE exhibits ordered co-expression, biologically it is indeterminate. This likely enhances the presentation of diverse antigens to passing thymocytes during their medullary residency, while simultaneously maintaining mTEC identity throughout PGE.

A bstract Single cells are typically typed by clustering in reduced dimensional transcriptome space. Here we introduce Stator, a novel method, workflow and app that reveals cell types, subtypes and states without relying on local proximity of cells in gene expression space. Rather, Stator derives higher-order gene expression dependencies from a sparse gene-by-cell expression matrix. From these dependencies the method multiply labels the same single cell according to type, sub-type and state (activation, differentiation or cell cycle sub-phase). By applying the method to data from mouse embryonic brain, and human healthy or diseased liver, we show how Stator first recapitulates other methods’ cell type labels, and then reveals combinatorial gene expression markers of cell type, state, and disease at higher resolution. By allowing multiple state labels for single cells we reveal cell type fates of embryonic progenitor cells and liver cancer states associated with patient survival.

Ageing is characterised by cellular senescence, leading to imbalanced tissue maintenance, cell death and compromised organ function. This is first observed in the thymus, the primary lymphoid organ that generates and selects T cells. However, the molecular and cellular mechanisms underpinning these ageing processes remain unclear. Here, we show that mouse ageing leads to less efficient T cell selection, decreased self-antigen representation and increased T cell receptor repertoire diversity. Using a combination of single-cell RNA-seq and lineage-tracing, we find that progenitor cells are the principal targets of ageing, whereas the function of mature thymic epithelial cells is compromised only modestly. Specifically, an early-life precursor cell population, retained in the mouse cortex postnatally, is virtually extinguished at puberty. Concomitantly, a medullary precursor cell quiesces, thereby impairing maintenance of the medullary epithelium. Thus, ageing disrupts thymic progenitor differentiation and impairs the core immunological functions of the thymus.

Advances in RNA-seq technologies provide unprecedented insight into the variability and heterogeneity of gene expression at the single-cell level. However, such data offers only a snapshot of the transcriptome, whereas it is often the progression of cells through dynamic biological processes that is of interest. As a result, one outstanding challenge is to infer such progressions by ordering gene expression from single cell data alone, known as the cell ordering problem. Here, we introduce a new method that constructs a low-dimensional non-linear embedding of the data using laplacian eigenmaps before assigning each cell a pseudotime using principal curves. We characterise why on a theoretical level our method is more robust to the high levels of noise typical of single-cell RNA-seq data before demonstrating its utility on two existing datasets of differentiating cells.

Autism Spectrum Disorders (ASD) are clinically and genetically heterogeneous. Nevertheless, a characteristic gene expression signature in postmortem cortex is shared across most ASD cases. Knowing whether this signature reflects changes in cells of particular types would help to determine the molecular, cellular, and anatomical etiology of ASD. To investigate we took advantage of cell type marker genes defined by recent single cell transcriptome sequencing from mouse or human cortex. We find that microglial markers showed significantly and substantially higher median expression in postmortem ASD than in control cortex for both mouse and human markers (21% higher for orthologous markers defined in mouse; 93% higher for human markers). In contrast, neuronal markers showed reduced median expression: 12% and 16% lower for mouse interneurons and pyramidal neurons, 40% lower for human neurons, and 36% lower for a class of human excitatory projection neurons. Cell type density alterations in ASD brains are indicated because distributions of these cell type markers are shifted concordantly. Importantly, orthologous mouse neuronal marker genes encoding proteins localized to diverse neuronal compartments all showed reduced median expression in ASD. Our results provide a framework for revealing the basis of transcriptomic differences in ASD. We propose comparing cell type density alterations in post-mortem tissue with and without these distinctive gene expression changes to reconcile results from stereological and transcriptomic studies.

Background: Functional characterisation of the compact genome of the model organism Caenorhabditis elegans remains incomplete despite its sequencing twenty years ago. The last decade of research has seen a tremendous increase in the number of non-coding RNAs identified in various organisms. While we have mechanistic understandings of small non-coding RNA pathways, long non-coding RNAs represent a diverse class of active transcripts whose function remains less well characterised. Results: By analysing hundreds of published transcriptome datasets, we annotated 3,397 potential lncRNAs including 146 multi-exonic loci that showed increased nucleotide conservation and GC content relative to other non-coding regions. Using CRISPR / Cas9 genome editing we generated deletion mutants for ten long non-coding RNA loci. Using automated microscopy for in-depth phenotyping, we show that six of the long non-coding RNA loci are required for normal development and fertility. Using RNA interference mediated gene knock-down, we provide evidence that for two of the long non-coding RNA loci, the observed phenotypes are dependent on the corresponding RNA transcripts. Conclusions: Our results highlight that a large section of the non-coding regions of the C. elegans genome remain unexplored. Based on our in vivo analysis of a selection of high-confidence lncRNA loci, we expect that a significant proportion of these high-confidence regions is likely to have biological function at either the genomic or the transcript level.

Barretts esophagus is a precursor of esophageal adenocarcinoma. In this common condition, squamous epithelium in the esophagus is replaced by columnar epithelium in response to acid reflux. Barretts esophagus is highly heterogeneous and its relationships to normal tissues are unclear. We investigated the cellular complexity of Barretts esophagus and the upper gastrointestinal tract using RNA-sequencing of 2895 single cells from multiple biopsies from four patients with Barretts esophagus and two patients without esophageal pathology. We found that uncharacterised cell populations in Barretts esophagus, marked by LEFTY1 and OLFM4, exhibit a profound transcriptional overlap with a subset of esophageal cells, but not with gastric or duodenal cells. Additionally, SPINK4 and ITLN1 mark cells that precede morphologically identifiable goblet cells in colon and Barretts esophagus, potentially aiding the identification of metaplasia. Our findings reveal striking transcriptional relationships between normal tissue populations and cells in a premalignant condition, with implications for clinical practice.