Abstract The early window of human embryogenesis is largely a black box for developmental biologists. Here we probed the cellular diversity of 4- to 6-week human embryos when essentially all organs are just laid out. Based on over 180,000 single-cell transcriptomes, we generated a comprehensive atlas of 313 cell types in 18 developmental systems, which were annotated with a collection of ontology and markers from 157 publications. Together with spatial transcriptome on embryonic sections, we characterized the molecule and spatial architecture of previously unappreciated cell types. Combined with data from other vertebrates, the rich information shed light on spatial patterning of axes, systemic temporal regulation of developmental progression and potential human-specific regulation. Our study provides a compendium of early progenitor cells of human organs, which can serve as the root of lineage analysis in organogenesis.

Abstract Peripheral neuroblastic tumors (PNTs) are the most common extracranial solid tumors in early childhood. They represent a spectrum of neural crest derived tumors including neuroblastoma, ganglioneuroblastoma and ganglioneuroma. PNTs exhibit heterogeneity due to interconverting malignant cell states described as adrenergic/nor-adrenergic or mesenchymal/neural crest cell in origin. The factors determining individual patient levels of tumor heterogeneity, their impact on the malignant phenotype, and the presence of other cell states are unknown. Here, single-cell RNA-sequencing analysis of 4267 cells from 7 PNTs demonstrated extensive transcriptomic heterogeneity. Trajectory modelling showed that malignant neuroblasts move between adrenergic and mesenchymal cell states via a novel state that we termed a “transitional” phenotype. Transitional cells are characterized by gene expression programs linked to a sympathoadrenal development, and aggressive tumor phenotypes such as rapid proliferation and tumor dissemination. Among primary bulk tumor patient cohorts, high expression of the transitional gene signature was highly predictive of poor prognosis when compared to adrenergic and mesenchymal expression patterns. High transitional gene expression in neuroblastoma cell lines identified a similar transitional H3K27-acetylation super-enhancer landscape, supporting the concept that PNTs have phenotypic plasticity and transdifferentiation capacity. Additionally, examination of PNT microenvironments, found that neuroblastomas contained low immune cell infiltration, high levels of non-inflammatory macrophages, and low cytotoxic T lymphocyte levels compared with more benign PNT subtypes. Modeling of cell-cell signaling in the tumor microenvironment predicted specific paracrine effects toward the various subtypes of malignant cells, suggesting further cell-extrinsic influences on malignant cell phenotype. Collectively, our study reveals the presence of a previously unrecognized transitional cell state with high malignant potential and an immune cell architecture which serve both as potential biomarkers and therapeutic targets.

Abstract Type 2 diabetes (T2D), characterized by malfunction of pancreatic β cells, is affected by multiple cues including sex differences. Nevertheless, mechanisms of sex differences in type 2 diabetes susceptibility and pathogenesis remain unclear. Using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) technology, we showed that sexual dimorphism of transcriptome exists in mouse β cells. Our analysis further revealed the existence of sex-dependent type 2 diabetes altered genes in high fat diet induced T2D model, suggesting divergences in pathological mechanisms of type 2 diabetes between sexes. Our results indicated that sex should be taken into consideration when treating diabetes, which was further validated by the sex-matched and sex-mismatched islet transplantation in mice. Compared to sex-matched transplants, sex-mismatched transplants showed downregulation of genes involved in the longevity regulating pathway in β cells and led to impaired glucose tolerance in diabetic mice. Taken together, our findings could advance current understanding of type 2 diabetes pathogenesis with sexually dimorphic perspectives and provide new insights to the development of precision medicine.

In multicellular organisms, a single zygote develops along divergent lineages to produce distinct cell types. What governs these processes is central to the understanding of cell fate specification and stem cell engineering. Here we used the protochordate model Ciona savignyi to determine gene expression profiles of every cell of single embryos from fertilization through the onset of gastrulation and provided a comprehensive map of chordate early embryonic lineage specification. We identified 47 cell types across 8 developmental stages up to the 110-cell stage in wild type embryos and 8 fate transformations at the 64-cell stage upon FGF-MAPK inhibition. The identities of all cell types were evidenced by in situ expression pattern of marker genes and expected number of cells based on the invariant lineage. We found that, for the majority of asymmetrical cell divisions, the bipotent mother cell shows predominantly the gene signature of one of the daughter fates, with the other daughter being induced by subsequent signaling. Our data further indicated that the asymmetric segregation of mitochondria in some of these divisions does not depend on the concurrent fate inducing FGF-MAPK signaling. In the notochord, which is an evolutionary novelty of chordates, the convergence of cell fate from two disparate lineages revealed modular structure in the gene regulatory network beyond the known master regulator T/Brachyury. Comparison to single cell transcriptomes of the early mouse embryo showed a clear match of cell types at the tissue level and supported the hypothesis of developmental-genetic toolkit. This study provides a high-resolution single cell dataset to understand chordate embryogenesis and the relationship between fate trajectories and the cell lineage.

The utilization of low-cost scrap tire pads (STP) made from recycled tires presents a promising alternative to traditional rubber isolators (i.e., fiber-reinforced elastomeric isolators) in rural construction. However, the STP was limited in application to practicing structures due to stability with a shear strain level of 100 % and the significant variability of the mechanical behavior at the same parameters. For these issues, this paper presents a bonded scrap tire rubber isolators (BSTRIs), based on earthquake demand parameters for rural area buildings. In addition, a series of vertical compression and horizontal shear tests were conducted to evaluate the dependency of mechanical behavior on surface pressure (σ0), the first and the second shape factor (S1 and S2). Then, a finite element (FE) model of BSTRIs was developed and validated. The experimental and FE results show that the σ0, S1, and S2 overwhelmingly effect on mechanical behavior (i.e., critical pressure, vertical stiffness, horizontal stiffness, and damping ratio). Moreover, the new theoretical formulations on critical pressure, vertical stiffness, and horizontal stiffness were developed to evaluate the stability of BSTRIs. Finally, based on experimental result, a nonlinear dynamic response was conducted including the BSTRIs-supported and based-fixed unreinforced masonry (URM) buildings under 22 far-field and 28 near-field seismic excitations. The results indicated that the base shear of the BSTRIs-supported URM were decreased by 66.5 % and 50.1 % in far- and near-field record, respectively, compared with the response of the fixed-base URM building.