Summary

 Mammalian genomes are organized into megabase-scale topologically associated domains (TADs). We demonstrate that disruption of TADs can rewire long-range regulatory architecture and result in pathogenic phenotypes. We show that distinct human limb malformations are caused by deletions, inversions, or duplications altering the structure of the TAD-spanning WNT6/IHH/EPHA4/PAX3 locus. Using CRISPR/Cas genome editing, we generated mice with corresponding rearrangements. Both in mouse limb tissue and patient-derived fibroblasts, disease-relevant structural changes cause ectopic interactions between promoters and non-coding DNA, and a cluster of limb enhancers normally associated with Epha4 is misplaced relative to TAD boundaries and drives ectopic limb expression of another gene in the locus. This rewiring occurred only if the variant disrupted a CTCF-associated boundary domain. Our results demonstrate the functional importance of TADs for orchestrating gene expression via genome architecture and indicate criteria for predicting the pathogenicity of human structural variants, particularly in non-coding regions of the human genome.

To investigate the immune response and mechanisms associated with severe coronavirus disease 2019 (COVID-19), we performed single-cell RNA sequencing on nasopharyngeal and bronchial samples from 19 clinically well-characterized patients with moderate or critical disease and from five healthy controls. We identified airway epithelial cell types and states vulnerable to severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection. In patients with COVID-19, epithelial cells showed an average three-fold increase in expression of the SARS-CoV-2 entry receptor ACE2, which correlated with interferon signals by immune cells. Compared to moderate cases, critical cases exhibited stronger interactions between epithelial and immune cells, as indicated by ligand–receptor expression profiles, and activated immune cells, including inflammatory macrophages expressing CCL2, CCL3, CCL20, CXCL1, CXCL3, CXCL10, IL8, IL1B and TNF. The transcriptional differences in critical cases compared to moderate cases likely contribute to clinical observations of heightened inflammatory tissue damage, lung injury and respiratory failure. Our data suggest that pharmacologic inhibition of the CCR1 and/or CCR5 pathways might suppress immune hyperactivation in critical COVID-19. Single-cell analysis of COVID-19 patient samples identifies activated immune pathways that correlate with severe disease.

High-throughput sequencing technology enables population-level surveys of human genomic variation. Here, we examine the joint allele frequency distributions across continental human populations and present an approach for combining complementary aspects of whole-genome, low-coverage data and targeted high-coverage data. We apply this approach to data generated by the pilot phase of the Thousand Genomes Project, including whole-genome 2–4× coverage data for 179 samples from HapMap European, Asian, and African panels as well as high-coverage target sequencing of the exons of 800 genes from 697 individuals in seven populations. We use the site frequency spectra obtained from these data to infer demographic parameters for an Out-of-Africa model for populations of African, European, and Asian descent and to predict, by a jackknife-based approach, the amount of genetic diversity that will be discovered as sample sizes are increased. We predict that the number of discovered nonsynonymous coding variants will reach 100,000 in each population after ∼1,000 sequenced chromosomes per population, whereas ∼2,500 chromosomes will be needed for the same number of synonymous variants. Beyond this point, the number of segregating sites in the European and Asian panel populations is expected to overcome that of the African panel because of faster recent population growth. Overall, we find that the majority of human genomic variable sites are rare and exhibit little sharing among diverged populations. Our results emphasize that replication of disease association for specific rare genetic variants across diverged populations must overcome both reduced statistical power because of rarity and higher population divergence.

Chromosome conformation capture methods have identified subchromosomal structures of higher-order chromatin interactions called topologically associated domains (TADs) that are separated from each other by boundary regions. By subdividing the genome into discrete regulatory units, TADs restrict the contacts that enhancers establish with their target genes. However, the mechanisms that underlie partitioning of the genome into TADs remain poorly understood. Here we show by chromosome conformation capture (capture Hi-C and 4C-seq methods) that genomic duplications in patient cells and genetically modified mice can result in the formation of new chromatin domains (neo-TADs) and that this process determines their molecular pathology. Duplications of non-coding DNA within the mouse Sox9 TAD (intra-TAD) that cause female to male sex reversal in humans, showed increased contact of the duplicated regions within the TAD, but no change in the overall TAD structure. In contrast, overlapping duplications that extended over the next boundary into the neighbouring TAD (inter-TAD), resulted in the formation of a new chromatin domain (neo-TAD) that was isolated from the rest of the genome. As a consequence of this insulation, inter-TAD duplications had no phenotypic effect. However, incorporation of the next flanking gene, Kcnj2, in the neo-TAD resulted in ectopic contacts of Kcnj2 with the duplicated part of the Sox9 regulatory region, consecutive misexpression of Kcnj2, and a limb malformation phenotype. Our findings provide evidence that TADs are genomic regulatory units with a high degree of internal stability that can be sculptured by structural genomic variations. This process is important for the interpretation of copy number variations, as these variations are routinely detected in diagnostic tests for genetic disease and cancer. This finding also has relevance in an evolutionary setting because copy-number differences are thought to have a crucial role in the evolution of genome complexity.

Children have reduced severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection rates and a substantially lower risk for developing severe coronavirus disease 2019 compared with adults. However, the molecular mechanisms underlying protection in younger age groups remain unknown. Here we characterize the single-cell transcriptional landscape in the upper airways of SARS-CoV-2-negative (n = 18) and age-matched SARS-CoV-2-positive (n = 24) children and corresponding samples from adults (n = 44), covering an age range of 4 weeks to 77 years. Children displayed higher basal expression of relevant pattern recognition receptors such as MDA5 (IFIH1) and RIG-I (DDX58) in upper airway epithelial cells, macrophages and dendritic cells, resulting in stronger innate antiviral responses upon SARS-CoV-2 infection than in adults. We further detected distinct immune cell subpopulations including KLRC1 (NKG2A)+ cytotoxic T cells and a CD8+ T cell population with a memory phenotype occurring predominantly in children. Our study provides evidence that the airway immune cells of children are primed for virus sensing, resulting in a stronger early innate antiviral response to SARS-CoV-2 infection than in adults. Single-cell sequencing reveals pre-activated immunity as important for milder COVID-19 symptoms in children.

Here we present the 15 pseudochromosomes of sweet potato, Ipomoea batatas, the seventh most important crop in the world and the fourth most significant in China. By using a novel haplotyping method based on genome assembly, we have produced a half haplotype-resolved genome from ~296 Gb of paired-end sequence reads amounting to roughly 67-fold coverage. By phylogenetic tree analysis of homologous chromosomes, it was possible to estimate the time of two recent whole-genome duplication events as occurring about 0.8 and 0.5 million years ago. This half haplotype-resolved hexaploid genome represents the first successful attempt to investigate the complexity of chromosome sequence composition directly in a polyploid genome, using sequencing of the polyploid organism itself rather than any of its simplified proxy relatives. Adaptation and application of our approach should provide higher resolution in future genomic structure investigations, especially for similarly complex genomes.

Abstract Though clinical trials for medical applications of dimethyl sulfoxide (DMSO) reported toxicity in the 1960s, later, the FDA classified DMSO in the safest solvent category. DMSO became widely used in many biomedical fields and biological effects were overlooked. Meanwhile, biomedical science has evolved towards sensitive high-throughput techniques and new research areas, including epigenomics and microRNAs. Considering its wide use, especially for cryopreservation and in vitro assays, we evaluated biological effect of DMSO using these technological innovations. We exposed 3D cardiac and hepatic microtissues to medium with or without 0.1% DMSO and analyzed the transcriptome, proteome and DNA methylation profiles. In both tissue types, transcriptome analysis detected >2000 differentially expressed genes affecting similar biological processes, thereby indicating consistent cross-organ actions of DMSO. Furthermore, microRNA analysis revealed large-scale deregulations of cardiac microRNAs and smaller, though still massive, effects in hepatic microtissues. Genome-wide methylation patterns also revealed tissue-specificity. While hepatic microtissues demonstrated non-significant changes, findings from cardiac microtissues suggested disruption of DNA methylation mechanisms leading to genome-wide changes. The extreme changes in microRNAs and alterations in the epigenetic landscape indicate that DMSO is not inert. Its use should be reconsidered, especially for cryopreservation of embryos and oocytes, since it may impact embryonic development.

The genome is organized in three-dimensional units called topologically associating domains (TADs), through a process dependent on the cooperative action of cohesin and the DNA-binding factor CTCF. Genomic rearrangements of TADs have been shown to cause gene misexpression and disease, but genome-wide depletion of CTCF has no drastic effects on transcription. Here, we investigate TAD function in vivo in mouse limb buds at the Sox9-Kcnj2 locus. We show that the removal of all major CTCF sites at the boundary and within the TAD resulted in a fusion of neighboring TADs, without major effects on gene expression. Gene misexpression and disease phenotypes, however, were achieved by redirecting regulatory activity through inversions and/or the repositioning of boundaries. Thus, TAD structures provide robustness and precision but are not essential for developmental gene regulation. Aberrant disease-related gene activation is not induced by a mere loss of insulation but requires CTCF-dependent redirection of enhancer-promoter contacts.

Abstract Idiopathic Parkinson’s disease is characterized by a progressive loss of dopaminergic neurons, but the exact disease aetiology remains largely unknown. To date, Parkinson’s disease research has mainly focused on nigral dopaminergic neurons, although recent studies suggest disease-related changes also in non-neuronal cells and in midbrain regions beyond the substantia nigra. While there is some evidence for glial involvement in Parkinson’s disease, the molecular mechanisms remain poorly understood. The aim of this study was to characterize the contribution of all cell types of the midbrain to Parkinson’s disease pathology by single-nuclei RNA sequencing and to assess the cell type-specific risk for Parkinson’s disease using the latest genome-wide association study. We profiled >41 000 single-nuclei transcriptomes of post-mortem midbrain from six idiopathic Parkinson’s disease patients and five age-/sex-matched controls. To validate our findings in a spatial context, we utilized immunolabelling of the same tissues. Moreover, we analysed Parkinson’s disease-associated risk enrichment in genes with cell type-specific expression patterns. We discovered a neuronal cell cluster characterized by CADPS2 overexpression and low TH levels, which was exclusively present in idiopathic Parkinson’s disease midbrains. Validation analyses in laser-microdissected neurons suggest that this cluster represents dysfunctional dopaminergic neurons. With regard to glial cells, we observed an increase in nigral microglia in Parkinson’s disease patients. Moreover, nigral idiopathic Parkinson’s disease microglia were more amoeboid, indicating an activated state. We also discovered a reduction in idiopathic Parkinson’s disease oligodendrocyte numbers with the remaining cells being characterized by a stress-induced upregulation of S100B. Parkinson’s disease risk variants were associated with glia- and neuron-specific gene expression patterns in idiopathic Parkinson’s disease cases. Furthermore, astrocytes and microglia presented idiopathic Parkinson’s disease-specific cell proliferation and dysregulation of genes related to unfolded protein response and cytokine signalling. While reactive patient astrocytes showed CD44 overexpression, idiopathic Parkinson’s disease microglia revealed a pro-inflammatory trajectory characterized by elevated levels of IL1B, GPNMB and HSP90AA1. Taken together, we generated the first single-nuclei RNA sequencing dataset from the idiopathic Parkinson’s disease midbrain, which highlights a disease-specific neuronal cell cluster as well as ‘pan-glial’ activation as a central mechanism in the pathology of the movement disorder. This finding warrants further research into inflammatory signalling and immunomodulatory treatments in Parkinson’s disease.

Trunk formation in a dish Building mammalian embryos from self-organizing stem cells in culture would accelerate the investigation of morphogenetic and differentiation processes that shape the body plan. Veenvliet et al. report a method for generating embryonic trunk-like structures (TLSs) with a neural tube, somites, and gut by embedding mouse embryonic stem cell aggregates in an extracellular matrix surrogate. Live imaging and comparative single-cell transcriptomics indicate that TLS formation is analogous to mouse development. TLSs therefore provide a scalable, tractable, and accessible high-throughput platform for decoding mammalian embryogenesis at a high level of resolution. Science , this issue p. eaba4937