Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of metastatic lung cancer was performed using 49 clinical biopsies obtained from 30 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNA-seq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell-state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap-junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNA-seq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

Analysis of a large cohort of EGFR-mutant lung cancer cell-free DNA samples along with longitudinal samples from a patient with EGFR-mutant lung cancer identifies pathways that inhibit EGFR-inhibitor response. Co-occurring genetic alterations influence clinical outcomes and underscore the need for combination therapies. A widespread approach to modern cancer therapy is to identify a single oncogenic driver gene and target its mutant-protein product (for example, EGFR-inhibitor treatment in EGFR-mutant lung cancers). However, genetically driven resistance to targeted therapy limits patient survival. Through genomic analysis of 1,122 EGFR-mutant lung cancer cell-free DNA samples and whole-exome analysis of seven longitudinally collected tumor samples from a patient with EGFR-mutant lung cancer, we identified critical co-occurring oncogenic events present in most advanced-stage EGFR-mutant lung cancers. We defined new pathways limiting EGFR-inhibitor response, including WNT/β-catenin alterations and cell-cycle-gene (CDK4 and CDK6) mutations. Tumor genomic complexity increases with EGFR-inhibitor treatment, and co-occurring alterations in CTNNB1 and PIK3CA exhibit nonredundant functions that cooperatively promote tumor metastasis or limit EGFR-inhibitor response. This study calls for revisiting the prevailing single-gene driver-oncogene view and links clinical outcomes to co-occurring genetic alterations in patients with advanced-stage EGFR-mutant lung cancer.

Ageing is the single greatest cause of disease and death worldwide, and understanding the associated processes could vastly improve quality of life. Although major categories of ageing damage have been identified—such as altered intercellular communication, loss of proteostasis and eroded mitochondrial function1—these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs, and a comprehensive, whole-organism analysis of ageing dynamics has been lacking. Here we performed bulk RNA sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the lifespan of Mus musculus, and integrated these findings with data from the accompanying Tabula Muris Senis2—or ‘Mouse Ageing Cell Atlas’—which follows on from the original Tabula Muris3. We reveal linear and nonlinear shifts in gene expression during ageing, with the associated genes clustered in consistent trajectory groups with coherent biological functions—including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Notably, these gene sets show similar expression across tissues, differing only in the amplitude and the age of onset of expression. Widespread activation of immune cells is especially pronounced, and is first detectable in white adipose depots during middle age. Single-cell RNA sequencing confirms the accumulation of T cells and B cells in adipose tissue—including plasma cells that express immunoglobulin J—which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how gene expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to the ageing of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of ageing, providing a foundation from which to track systemic sources of declining health at old age. Bulk RNA sequencing of organs and plasma proteomics at different ages across the mouse lifespan is integrated with data from the Tabula Muris Senis, a transcriptomic atlas of ageing mouse tissues, to describe organ-specific changes in gene expression during ageing.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

Diverse regions develop within cerebral organoids generated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs), however it has been a challenge to understand the lineage dynamics associated with brain regionalization. Here we establish an inducible lineage recording system that couples reporter barcodes, inducible CRISPR/Cas9 scarring, and single-cell transcriptomics to analyze lineage relationships during cerebral organoid development. We infer fate-mapped whole organoid phylogenies over a scarring time course, and reconstruct progenitor-neuron lineage trees within microdissected cerebral organoid regions. We observe increased fate restriction over time, and find that iPSC clones used to initiate organoids tend to accumulate in distinct brain regions. We use lineage-coupled spatial transcriptomics to resolve lineage locations as well as confirm clonal enrichment in distinctly patterned brain regions. Using long term 4-D light sheet microscopy to temporally track nuclei in developing cerebral organoids, we link brain region clone enrichment to positions in the neuroectoderm, followed by local proliferation with limited migration during neuroepithelial formation. Our data sheds light on how lineages are established during brain organoid regionalization, and our techniques can be adapted in any iPSC-derived cell culture system to dissect lineage alterations during perturbation or in patient-specific models of disease.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

Salamanders are important tetrapod models to study brain organization and regeneration, however the identity and evolutionary conservation of brain cell types is largely unknown. Here, we delineate cell populations in the axolotl telencephalon during homeostasis and regeneration, representing the first single-cell genomic and spatial profiling of an anamniote tetrapod brain. We identify glutamatergic neurons with similarities to amniote neurons of hippocampus, dorsal and lateral cortex, and conserved GABAergic neuron classes. We infer transcriptional dynamics and gene regulatory relationships of postembryonic, region-specific direct and indirect neurogenesis, and unravel conserved signatures. Following brain injury, ependymoglia activate an injury-specific state before reestablishing lost neuron populations and axonal connections. Together, our analyses yield key insights into the organization, evolution, and regeneration of a tetrapod nervous system.

Interlineage communication within a cancer microenvironment can augment cancer cell behaviour and impact response to therapy. Patient-derived cancer organoids provide an opportunity to explore cancer cell biology, however it is a major challenge to generate a complex cancer microenvironment in vitro. Here, we established a stromal tumoroid culture system modeling pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) that reconstitutes multilineage interactions between cancer, endothelial, and fibroblast cells and recapitulates several aspects of primary tumors. Whole-mount immunohistochemistry on cleared tumoroids reveals organized vessel, desmoplastic fibroblast, and glandular cancer cell phenotypes that emerge over time. Time-course scRNA-seq measurements show that tumoroid formation activates fibroblasts, altering the extracellular matrix (ECM) composition and inducing cancer cell signal-response signatures and metabolic state change. Comparison between tumoroids with normal or cancer associated fibroblasts (CAFs) reveals different ECM compositions, as well as differential effects on cancer cell behaviors and metabolism. We identify Syndecan 1 (SDC1) and Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARG) as receptor and metabolic nodes involved in cancer cell response to CAF signals, and blocking SDC1 disrupts cancer cell growth within the tumoroid. Tumoroids from multiple PDAC patients revealed co-existence of subpopulations associated with classical and basal phenotypes, and CAF-induced migration behaviors emerged in certain patient tumoroids. Comparisons between patient tumoroids revealed a multigene migration signature that develops over time reflecting a stress response mechanism that correlates with worse clinical outcome. Altogether, stromal tumoroids can be used to explore dynamic and reciprocal interactions between cancer, CAF and endothelial cell states, and our data provides new inroads into the discovery of personalized pancreatic cancer therapies.

Summary/Abstract The neural crest (NC) is highly multipotent and generates diverse lineages in the developing embryo. However, spatiotemporally distinct NC populations display differences in fate potential, such as increased gliogenic and parasympathetic potential from later migrating, nerve-associated Schwann cell precursors (SCPs). Interestingly, while melanogenic potential is shared by both early migrating NC and SCPs, differences in melanocyte identity resulting from differentiation through these temporally distinct progenitors have not been determined. Here, we leverage a human pluripotent stem cell (hPSC) model of NC temporal patterning to comprehensively characterize human NC heterogeneity, fate bias, and lineage development. We captured the transition of NC differentiation between temporally and transcriptionally distinct melanogenic progenitors and identified modules of candidate transcription factor and signaling activity associated with this transition. For the first time, we established a protocol for the directed differentiation of melanocytes from hPSCs through a SCP intermediate, termed trajectory 2 (T2) melanocytes. Leveraging an existing protocol for differentiating early NC-derived melanocytes, termed trajectory 1 (T1), we performed the first comprehensive comparison of transcriptional and functional differences between these distinct melanocyte populations, revealing differences in pigmentation and unique expression of transcription factors, ligands, receptors and surface markers. We found a significant link between the T2 melanocyte transcriptional signature and decreased survival in melanoma patients in the cancer genome atlas (TCGA). We performed an in vivo CRISPRi screen of T1 and T2 melanocyte signature genes in a human melanoma cell line and discovered several T2-specific markers that promote lung metastasis in mice. We further demonstrated that one of these factors, SNRPB, regulates the splicing of transcripts involved in metastasis relevant functions such as migration, cell adhesion and proliferation. Overall, this study identifies distinct developmental trajectories as a source of diversity in melanocytes and implicates the unique molecular signature of SCP-derived melanocytes in metastatic melanoma.