Abstract Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis -regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generated the first single cell integrated maps of chromatin accessibility and transcriptome in human pre-implantation embryos and demonstrated the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states during embryo development. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of “single cell state” and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

Abstract Domestic pig ( Sus scrofa domesticus ) has drawn much attention from researchers worldwide due to its implications in evolutionary biology, regenerative medicine and agriculture. The brain atlas of Homo sapiens (primate), Mus musculus (rodent), Danio rerio (fish) and Drosophila melanogaster (insect) have been constructed at single cell resolution, however, the cellular compositions of pig brain remain largely unexplored. In this study, we investigated the single-cell transcriptomic profiles of five distinct regions of domestic pig brain, from which we identified 21 clusters corresponding to six major cell types, characterized by unique spectrum of gene expression. By spatial comparison, we identified cell types enriched or depleted in certain brain regions. Inter-species comparison revealed cell-type similarities and divergences in hypothalamus between mouse and pig, providing invaluable resources for the evolutionary exploration of brain functions at single cell level. Besides, our study revealed cell types and molecular pathways closely associated with several diseases (obesity, anorexia, bulimia, epilepsy, intellectual disability, and autism spectrum disorder), bridging the gap between gene mutations and pathological phenotypes, which might be of great use to the development precise therapies against neural system disorders. Taken together, we reported, so far as we know, the first single cell brain atlas of Sus scrofa domesticus , followed by comprehensive comparisons across brain region and species, which could throw light upon future evo-devo, regenerative medicine, and agricultural studies.

Abstract Perturbation of Huntingtin (HTT)’s physiological function is one postulated pathogenic factor in Huntington’s disease (HD). However, little is known how HTT is regulated in vivo . In a proteomic study, we isolated a novel ∼40kDa protein as a strong binding partner of Drosophila HTT and demonstrated it was the functional ortholog of HAP40, an HTT associated protein shown recently to modulate HTT’s conformation but with unclear physiological and pathologic roles. We showed that in both flies and human cells, HAP40 maintained conserved physical and functional interactions with HTT, loss of HAP40 resulted in similar phenotypes as HTT knockout, including animal viability and autophagy, and more strikingly, HAP40 depletion significantly reduced the levels of endogenous HTT, while HAP40 was mostly degraded via the proteasome in the absence of HTT. Interestingly, polyglutamine expansion in HTT did not affect its affinity for HAP40. However, HAP40 modulated HD pathogenesis in Drosophila model by regulating the overall protein levels and the toxicity of full-length mutant HTT. Together, our study uncovers a conserved mechanism governing the stability and in vivo functions of HTT, and demonstrates that HAP40 is a central and positive regulator of HTT, a potential modulator of HD pathogenesis and a promising candidate for “HTT-lowering” strategy against HD.

ABSTRACT Horseshoe bats ( Rhinolophus sinicus ) might help maintain coronaviruses severely affecting human health, such as SARS-CoV and SARS-CoV-2. It has long been suggested that bats may be more tolerant of viral infection than other mammals due to their unique immune system, but the exact mechanism remains to be fully explored. During the COVID-19 pandemic, multiple animal species were diseased by SARS-CoV-2 infection, especially in the respiratory system. Herein, single-cell transcriptomic data of the lungs of a horseshoe bat, a cat, a tiger, and a pangolin were generated. The receptor distribution of twenty-eight respiratory viruses belonging to fourteen viral families were characterized for the four species. Comparison on the immune-related transcripts further revealed limited cytokine activations in bats, which might explain the reason why bats experienced only mild diseases or even no symptoms upon virus infection. Our findings might increase our understanding of the immune background of horseshoe bats and their insensitivity to virus infections.

Abstract Due to the comparable organ sizes and physiology to human beings, genetically engineered pig is gradually regarded as an optimal source of human for transplantation and an excellent model for human diseases research. The major barrier between pig and human is mainly cellular heterogeneity and immune incompatibilities. Myriad scRNA-seq data of human has been reported, but the counterpart in pig is scarce. Here, we applied scRNA-seq technology to study the cellular heterogeneity of 3 months old pig lungs, generating the single-cell atlas of 13,580 cells covering 16 major cell types. Based on this data, we systematically characterized transcription factor regulatory networks, cell-cell communications in each cell type, and comparison of them and those in human lung. We first presented a comprehensive and openly accessible online platform, ScdbLung, which was composed of three functional modules (Marker, Cluster, and Download) and dedicated to exploiting the valuable resources of lung scRNA-seq data across four mammalian species. Overall, our scRNA-seq atlas of domestic pig lung, conserved transcription factor regulatory networks and cell-cell communications between domestic pig and human, and ScdbLung could provide guidance for porcine lung research and clinical applicability.

Abstract The outbreak of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) issued a significant and urgent threat to global health. The exact animal origin of SARS-CoV-2 remains obscure and understanding its host range is vital for preventing interspecies transmission. Previously, we have assessed the target cell profiles of SARS-CoV-2 in pets, livestock, poultry and wild animals. Herein, we expand this investigation to a wider range of animal species and viruses to provide a comprehensive source for large-scale screening of potential virus hosts. Single cell atlas for several mammalian species (alpaca, hamster, hedgehog, chinchilla etc.), as well as comparative atlas for lung, brain and peripheral blood mononuclear cells (PBMC) for various lineages of animals were constructed, from which we systemically analyzed the virus entry factors for 113 viruses over 20 species from mammalians, birds, reptiles, amphibians and invertebrates. Conserved cellular connectomes and regulomes were also identified, revealing the fundamental cell-cell and gene-gene cross-talks between these species. Overall, our study could help identify the potential host range and tissue tropism of SARS-CoV-2 and a diverse set of viruses and reveal the host-virus co-evolution footprints.

Abstract Down syndrome (DS) is one of the most common human birth defects caused by trisomy 21 (T21), leading to a variety of cognitive impairments. The cellular composition of human brain has been explored using single cell RNA sequencing in both physiological and pathological conditions. However, the cellular heterogeneity of human brain with chromosome aneuploidy is largely unknown. Here, we profiled the transcriptome of 36046 cells in cerebral cortex of T21 human fetus, covering frontal lobe, parietal lobe, occipital lobe and temporal lobe. Intriguingly, we detected several genes positively associated with neurons maturation was dysregulated in T21 frontal cortex ( HIC2, POU2F2, ZGLP1 and FOXK1 ). To share, explore and utilized the data resources of T21 cerebral cortex, we developed a comprehensive platform named T21atlas, composing of two functional modules (T21cluster and T21talk). Overall, our study provides, as far as we know, the first single cell atlas for T21 cerebral cortex, which could promote our understanding of the molecular mechanism of DS at an unprecedented resolution and could potentially facilitate the development of novel clinical therapeutics against T21.

ABSTRACT Birth defect, not only poses a major challenge for infant health but also attracts the attention of countless people in the world. Chromosome abnormality directly results in diverse birth defects which are generally deleterious and even lethal. Therefore, gaining molecular regulatory insights into these diseases is important and necessary for effective prenatal screening. Recently, with the advance of next-generation sequencing (NGS) techniques, a myriad of treatises and data associated with these diseases are now constantly produced from different laboratories across the world. To meet the increasing requirements for birth-related data resources, we developed a birth defect multi-omics database (BDdb), freely accessible at http://t21omics.cngb.org and consisting of multi-omics data, circulating free DNA (cfDNA) data, as well as diseases biomarkers. Omics data sets from 138 GSE samples, 5271 GSM samples and 328 entries, and more than 2000 biomarkers of 22 birth-defect diseases in 5 different species were integrated into BDdb, which provides a user-friendly interface for searching, browsing and downloading selected data. Additionally, we re-analyzed and normalized the raw data so that users can also customize the analysis using the data generated from different sources or different High-Throughput Sequencing (HTS) methods. To our knowledge, BDdb is the first comprehensive database associated with birth-defect-related diseases. which would benefit the diagnosis and prevention of birth defects.

Abstract A few animals have been suspected to be intermediate hosts of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). However, a large-scale single-cell screening of SARS-CoV-2 target cells on a wide variety of animals is missing. Here, we constructed the single-cell atlas for 11 representative species in pets, livestock, poultry, and wildlife. Notably, the proportion of SARS-CoV-2 target cells in cat was found considerably higher than other species we investigated and SARS-CoV-2 target cells were detected in multiple cell types of domestic pig, implying the necessity to carefully evaluate the risk of cats during the current COVID-19 pandemic and keep pigs under surveillance for the possibility of becoming intermediate hosts in future coronavirus outbreak. Furthermore, we screened the expression patterns of receptors for 144 viruses, resulting in a comprehensive atlas of virus target cells. Taken together, our work provides a novel and fundamental strategy to screen virus target cells and susceptible species, based on single-cell transcriptomes we generated for domesticated animals and wildlife, which could function as a valuable resource for controlling current pandemics and serve as an early warning system for coping with future infectious disease threats.

Abstract Background Immune cells play important roles in mediating immune response and host defense against invading pathogens. However, insights into the molecular mechanisms governing circulating immune cell diversity among multiple species are limited. Methods In this study, we compared the single-cell transcriptomes of 77□957 immune cells from 12 species using single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq). Distinct molecular profiles were characterized for different immune cell types, including T cells, B cells, natural killer cells, monocytes, and dendritic cells. Results Results revealed the heterogeneity and compositions of circulating immune cells among 12 different species. Additionally, we explored the conserved and divergent cellular crosstalk and genetic regulatory networks among vertebrate immune cells. Notably, the ligand and receptor pair VIM-CD44 was highly conserved among the immune cells. Conclusions This study is the first to provide a comprehensive analysis of the cross-species single-cell atlas for peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). This research should advance our understanding of the cellular taxonomy and fundamental functions of PBMCs, with important implications in evolutionary biology, developmental biology, and immune system disorders.