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 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.

Retina, located in the innermost layer of the eye of human, holds the decisive role in visual perception. Dissecting the heterogeneity of retina is essential for understanding the mechanism of vision formation and even the development of central nervous system (CNS). Here, we performed single cell RNA-seq, analyzed 57,832 cells from human infant donors, resulting in 20 distinct clusters representing major cell types in retina: rod photoreceptors, cone photoreceptors, bipolar cells, horizontal cells, amacrine cells, Muller glia cells and microglia. We next constructed extensive networks of intercellular communication and identified ligand-receptor interactions playing crucial roles in regulating neural cell development and immune homeostasis in retina. Though re-clustering, we identified known subtypes in cone PRs and additional unreported subpopulations and corresponding markers in rod PRs as well as bipolar cells. Additionally, we linked inherited retinal disease to certain cell subtypes or subpopulations through enrichment analysis. Intriguingly, we found that status and functions of photoreceptors changed drastically between early and late retina. Overall, our study offers the first retinal cell atlas in human infants, dissecting the heterogeneity of retina and identifying the key molecules in the developmental process, which provides an important resource that will pave the way for retina development mechanism research and regenerative medicine concerning retinal biology.

Background: Investigating cell fate decision and subpopulation specification in the context of the neural lineage is fundamental to understanding neurogenesis and neurodegenerative diseases. The differentiation process of neural-tube-like rosettes in vitro is representative of neural tube structures, which are composed of radially organized, columnar epithelial cells and give rise to functional neural cells. However, the underlying regulatory network of cell fate commitment during early neural differentiation remains elusive. Results: In this study, we investigated the genome-wide transcriptome profile of single cells from six consecutive reprogramming and neural differentiation time points and identified cellular subpopulations present at each differentiation stage. Based on the inferred reconstructed trajectory and the characteristics of subpopulations contributing the most towards commitment to the central nervous system (CNS) lineage at each stage during differentiation, we identified putative novel transcription factors in regulating neural differentiation. In addition, we dissected the dynamics of chromatin accessibility at the neural differentiation stages and revealed active cis-regulatory elements for transcription factors known to have a key role in neural differentiation as well as for those that we suggest are also involved. Further, communication network analysis demonstrated that cellular interactions most frequently occurred among embryoid body (EB) stage and each cell subpopulation possessed a distinctive spectrum of ligands and receptors associated with neural differentiation which could reflect the identity of each subpopulation. Conclusions: Our study provides a comprehensive and integrative study of the transcriptomics and epigenetics of human early neural differentiation, which paves the way for a deeper understanding of the regulatory mechanisms driving the differentiation of the neural lineage. Key words: single cell RNA-seq, ATAC-seq, neural differentiation, neural rosettes, neural tube, transcription factor, iPSCs

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.

Retina is a crucial tissue for the capturing and processing of light stimulus. Characterization of the retina at single cell level is essential for the understanding of its biological functions. A variety of abnormalities in terms of morphology and function were reported in T21 retina. To evaluate the effects of chromosome aneuploidy on retina development, we characterized single cell transcriptional profiles of a T21 fetus and performed comprehensive bioinformatic analyses. Our data revealed the diversity and heterogeneity of cellular compositions in T21 retina. In total, we identified seven major cell types, and detected several subtypes within each cell type, followed by the detection of corresponding molecular markers including previously reported ones and a series of novel markers. Our analyses identified extensive communication networks between distinct cellular types, among which a few ligand-receptor interactions were associated with the development of retina and immunoregulatory interactions. Taken together, our data provided the first single cell transcriptome profile for human T21 retina which facilitates our understanding on the dosage effects of chromosome 21 on the development of retina.

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.