Systemic lupus erythematosus (SLE) is a heterogeneous autoimmune disease. Knowledge of circulating immune cell types and states associated with SLE remains incomplete. We profiled more than 1.2 million peripheral blood mononuclear cells (162 cases, 99 controls) with multiplexed single-cell RNA sequencing (mux-seq). Cases exhibited elevated expression of type 1 interferon–stimulated genes (ISGs) in monocytes, reduction of naïve CD4 + T cells that correlated with monocyte ISG expression, and expansion of repertoire-restricted cytotoxic GZMH + CD8 + T cells. Cell type–specific expression features predicted case-control status and stratified patients into two molecular subtypes. We integrated dense genotyping data to map cell type–specific cis–expression quantitative trait loci and to link SLE-associated variants to cell type–specific expression. These results demonstrate mux-seq as a systematic approach to characterize cellular composition, identify transcriptional signatures, and annotate genetic variants associated with SLE.

Abstract Type I interferon (IFN-I) neutralizing autoantibodies have been found in some critical COVID-19 patients; however, their prevalence and longitudinal dynamics across the disease severity scale, and functional effects on circulating leukocytes remain unknown. Here, in 284 COVID-19 patients, we found IFN-I autoantibodies in 19% of critical, 6% of severe and none of the moderate cases. Longitudinal profiling of over 600,000 peripheral blood mononuclear cells using multiplexed single-cell epitope and transcriptome sequencing from 54 COVID-19 patients, 15 non-COVID-19 patients and 11 non-hospitalized healthy controls, revealed a lack of IFN-I stimulated gene (ISG-I) response in myeloid cells from critical cases, including those producing anti-IFN-I autoantibodies. Moreover, surface protein analysis showed an inverse correlation of the inhibitory receptor LAIR-1 with ISG-I expression response early in the disease course. This aberrant ISG-I response in critical patients with and without IFN-I autoantibodies, supports a unifying model for disease pathogenesis involving ISG-I suppression via convergent mechanisms.

Abstract Multiplexed single-cell sequencing (mux-seq) using single-nucleotide polymorphisms (SNPs) has emerged as an efficient approach to perform expression quantitative trait loci (eQTL) studies that map interactions between genetic variants and cell types, cell states, or experimental perturbations. Here we introduce the clue framework, a novel approach to encode mux-seq experiments that eliminates the need for reference genotypes and experimental barcoding. The clue framework is made possible by the development of freemuxlet , an algorithm that clusters cells based on SNPs called from single-cell RNA-seq or ATAC-seq data. To demonstrate the feasibility of clue , we profiled the surface protein and RNA abundances of peripheral blood mononuclear cells from 64 individuals, stimulated with 5 distinct extracellular stimuli — all within a single day. Our analysis of the demultiplexed data identified rare immune cell types and cell type-specific responses to interferon and toll-like receptor stimulation. Furthermore, by integrating genotyping data, we mapped response eQTLs specific to certain cell types. These findings showcase the potential and scalability of the clue framework for reference-free multiplexed single-cell sequencing studies.

The development of DNA-barcoded antibodies to tag cell-surface molecules has enabled the use of droplet-based single cell sequencing (dsc-seq) to profile the surface proteomes of cells. Compared to flow and mass cytometry, the major limitation of current dsc-seq-based workflows is the high cost associated with profiling each cell, thus precluding its use in applications where millions of cells are required. Here, we introduce SCITO-seq, a new workflow that combines combinatorial indexing and commercially available dsc-seq to enable cost-effective cell surface proteomic sequencing of greater than 105 cells per microfluidic reaction. We demonstrate SCITO-seq's feasibility and scalability by profiling mixed species cell lines and mixed human T and B lymphocytes. To further demonstrate its applicability, we show comparable cellular composition estimates in peripheral blood mononuclear cells obtained with SCITO-seq and mass cytometry. SCITO-seq can be extended to include simultaneous profiling of additional modalities such as transcripts and accessible chromatin or tracking of experimental perturbations such as genome edits or extracellular stimuli.

Diversification at the transcriptome 3'end through alternative polyadenylation (APA) is an important and evolutionarily conserved layer of gene regulation associated with differentiation and dedifferentiation processes. Here we identify extensive transcriptome-3'end-alterations in neuroblastoma, a tumour entity with a general paucity of recurrent somatic mutations and an unusually high frequency of spontaneous regression. In an extensive RNAi-screening we reveal the landscape and drivers of transcriptome-3'end-diversification. We discover PCF11 as critical regulator of transcriptome-3'end-diversification, directing APA of hundreds of transcripts including a differentiation RNA-operon. PCF11 shapes inputs converging on WNT-signalling, and governs cell cycle, proliferation, apoptosis and neurodifferentiation. Postnatal PCF11 down-regulation induces a neurodifferentiation program, and low-level PCF11 in neuroblastoma is associated with favourable outcome and spontaneous tumour regression. Our findings document a critical role for APA in tumourigenesis and describe a novel mechanism for cell fate reprogramming in neuroblastoma with important clinical implications. An interactive data repository of transcriptome-wide APA covering >170 RNAis, and an APA-network map with regulatory hubs, is provided.