Abstract Natural killer (NK) cells are essential in controlling cancer and infection. However, little is known about the dynamics of the transcriptional regulatory machinery during NK cell differentiation. In this study, we applied assay of transposase accessible chromatin with sequencing (ATAC-seq) technique in a self-developed in vitro NK cell differentiation system. Analysis of ATAC-seq data illustrated two distinct transcription factor (TF) clusters that dynamically regulate NK cell differentiation. Moreover, two TFs from the second cluster, FOSL2 and EGR2, were identified as novel essential TFs that control NK cell maturation and function. Knocking down either of these two TFs significantly impacted NK cell transformation. Finally, we constructed a genome-wide transcriptional regulatory network that provides an understanding of the regulatory dynamics during NK cell differentiation.

The microenvironment of the endometrial immune system is crucial to the success of placental implantation and healthy pregnancy. However, the functionalities of immune cells across various stages of the reproductive cycle have yet to be fully comprehended. To address this, we conducted advanced bioinformatic analyses on 230,049 high-quality single-cell transcriptomes from healthy endometrial samples obtained during the proliferative, secretory, early pregnancy, and late pregnancy stages. Our investigation revealed that proliferative natural killer (NK) cells, a potential source of endometrial NK cells, exhibit the most robust proliferative and differentiation potential during non-pregnant stages. During early pregnancy, NK cells display high oxidative phosphorylation metabolism activity, and together with macrophages and T cells, exhibit a strong type II interferon response. Based on our cell-cell interaction analyses, we identify a large majority of interaction pairs to occur in late pregnancy. Finally, we explored the correlation between stage-specific alterations in transcriptomics and the risk genes of common reproductive diseases, unveiling that MHC class I/II molecules, along with TGFBR1, exhibited the potential to serve as biomarkers. Our study provides insights into the dynamics of the endometrial immune microenvironment during different reproductive cycle stages, thus serving as a reference for detecting pathological changes during pregnancy.

The development of sequencing technologies has promoted the survey of genome-wide chromatin accessibility at single-cell resolution; however, comprehensive analysis of single-cell epigenomic profiles remains a challenge. Here, we introduce an accessibility pattern-based epigenomic clustering (APEC) method, which classifies each individual cell by groups of accessible regions with synergistic signal patterns termed “accessons”. By integrating with other analytical tools, this python-based APEC package greatly improves the accuracy of unsupervised single-cell clustering for many different public data sets. APEC also predicts gene expressions, identifies significant differential enriched motifs, discovers super enhancers, and projects pseudotime trajectories. Furthermore, we adopted a fluorescent tagmentation-based single-cell ATAC-seq technique (ftATAC-seq) to investigated the per cell regulome dynamics of mouse thymocytes. Associated with ftATAC-seq, APEC revealed a detailed epigenomic heterogeneity of thymocytes, characterized the developmental trajectory and predicted the regulators that control the stages of maturation process. Overall, this work illustrates a powerful approach to study single-cell epigenomic heterogeneity and regulome dynamics.

The microenvironment of the endometrial immune system is crucial to the success of placental implantation and healthy pregnancy. However, the functionalities of immune cells across various stages of the reproductive cycle have yet to be fully comprehended. To address this, we conducted advanced bioinformatic analysis on 230,049 high-quality single-cell transcriptomes from healthy endometrial samples obtained during the proliferative, secretory, early pregnancy, and late pregnancy stages. Our investigation has unveiled that proliferative natural killer (NK) cells, a potential source of endometrial NK cells, exhibit the most robust proliferative and differentiation potential during non-pregnant stages. We have also identified similar differentiation trajectories of NK cells originating from proliferative NK cells across four stages. Notably, during early pregnancy, NK cells demonstrate the highest oxidative phosphorylation metabolism activity, and, in conjunction with macrophages and T cells, exhibit the strongest type II interferon response. With spatial transcriptome data, we have discerned that the most robust immune-non-immune interactions are associated with the promotion and inhibition of cell proliferation, differentiation and migration during four stages. Furthermore, we have compiled lists of stage-specific risk genes implicated in reproductive diseases, which hold promise as potential disease biomarkers. Our study provides insights into the dynamics of the endometrial immune microenvironment during different reproductive cycle stages, thus serving as a reference for detecting pathological changes during pregnancy.

Coronavirus disease 2019 (COVID-19) has caused more than 40,000 deaths worldwide. Approximately 14% of patients with COVID-19 experienced severe disease and 5% were critically ill. Studies have shown that dysregulation of the COVID-19 patients' immune system may lead to inflammatory storm and cause severe illness and even death. Tocilizumab treatment targeting interleukin 6 receptor has shown inspiring clinical results of severe COVID-19 patients. However, the immune network with Tocilizumab treatment at single cell resolution has not been uncovered. Here, we profiled the single-cell transcriptomes of 13,289 peripheral blood mononuclear cells isolated at three longitudinal stages from two severe COVID-19 patients treated with Tocilizumab. We identified a severe stage-specific monocyte subpopulation and these cells centric immune cell interaction network connected by the inflammatory cytokines and their receptors. The over-activated inflammatory immune response was attenuated after Tocilizumab treatment, yet immune cells including plasma B cells and CD8+ T cells still exhibited an intense humoral and cell-mediated anti-virus immune response in recovered COVID-19 patients. These results provided critical insights into the immunopathogenesis of severe COVID-19 and revealed fundamentals of effectiveness in Tocilizumab treatment.### Competing Interest Statement