Summary

 Human organoids recapitulating the cell-type diversity and function of their target organ are valuable for basic and translational research. We developed light-sensitive human retinal organoids with multiple nuclear and synaptic layers and functional synapses. We sequenced the RNA of 285,441 single cells from these organoids at seven developmental time points and from the periphery, fovea, pigment epithelium and choroid of light-responsive adult human retinas, and performed histochemistry. Cell types in organoids matured in vitro to a stable "developed" state at a rate similar to human retina development in vivo. Transcriptomes of organoid cell types converged toward the transcriptomes of adult peripheral retinal cell types. Expression of disease-associated genes was cell-type-specific in adult retina, and cell-type specificity was retained in organoids. We implicate unexpected cell types in diseases such as macular degeneration. This resource identifies cellular targets for studying disease mechanisms in organoids and for targeted repair in human retinas.

Intestinal organoids are complex three-dimensional structures that mimic the cell-type composition and tissue organization of the intestine by recapitulating the self-organizing ability of cell populations derived from a single intestinal stem cell. Crucial in this process is a first symmetry-breaking event, in which only a fraction of identical cells in a symmetrical sphere differentiate into Paneth cells, which generate the stem-cell niche and lead to asymmetric structures such as the crypts and villi. Here we combine single-cell quantitative genomic and imaging approaches to characterize the development of intestinal organoids from single cells. We show that their development follows a regeneration process that is driven by transient activation of the transcriptional regulator YAP1. Cell-to-cell variability in YAP1, emerging in symmetrical spheres, initiates Notch and DLL1 activation, and drives the symmetry-breaking event and formation of the first Paneth cell. Our findings reveal how single cells exposed to a uniform growth-promoting environment have the intrinsic ability to generate emergent, self-organized behaviour that results in the formation of complex multicellular asymmetric structures.

Abstract Droplet-based single-cell omics, including single-cell RNA sequencing (scRNAseq), single-cell CRISPR perturbations (e.g., CROP-seq), and single-cell protein and transcriptomic profiling (CITE-seq) hold great promise for comprehensive cell profiling and genetic screening at the single-cell resolution. However, these technologies suffer from substantial noise, among which ambient signals present in the cell suspension may be the predominant source. Current models to address this issue are highly technology-specific and relatively scRNAseq-centric. while a universal model to describe the noise across these technologies may reveal this common source, improving the denoising accuracy. To this end, we explicitly examined these unexpected signals in multiple datasets across droplet-based technologies, summarised a predictable pattern, and developed single-cell Ambient Remover (scAR) – a hypothesis-driven machine learning model to predict and remove ambient signals (including mRNA counts, protein counts, and sgRNA counts) at the molecular level. We benchmarked scAR on three technologies – single-cell CRISPR screens, CITE-seq, and scRNAseq along with the state-of-the-art single-technology-specific approaches. scAR showed high denoising accuracy for each type of dataset.

Summary TREM2 is a transmembrane protein expressed exclusively in microglia in the brain that regulates inflammatory responses to pathological conditions. Proteolytic cleavage of membrane TREM2 affects microglial function and is associated with Alzheimer’s disease, but the consequence of reduced TREM2 proteolytic cleavage has not been determined. We generated a transgenic mouse model of reduced TREM2 shedding (Trem2-IPD) through amino acid substitution of ADAM-protease recognition site. We found that Trem2-IPD mice displayed increased TREM2 cell surface receptor load, survival and function in myeloid cells. Using single cell transcriptomic profiling of mouse cortex we show that sustained TREM2 stabilization induces a shift of fate in microglial maturation and accelerates microglial responses to Aβ pathology in a mouse model of Alzheimer’s disease. Our data indicate that reduction of TREM2 proteolytic cleavage aggravates neuroinflammation during the course of AD pathology suggesting that TREM2 shedding is a critical regulator of microglial activity in pathological states.

Abstract Human organoids allow studying proliferation, lineage specification, and three-dimensional tissue development. Due to the inherent multicellular complexity, interrogation by systematic genetic methodologies is challenging. Here, we present the first genome-wide CRISPR screen in iPSC-derived kidney organoids. The combination of genome editing, longitudinal sampling and sorting of specific cell populations enabled us to uncover novel biology from development to tubular morphogenesis. We validated the high quality of our screen by individual hit follow up and comparisons to kidney disease datasets. The discovery of a novel regulatory mechanism which controls epithelial proliferation via a trans-activating but cis-inhibitory effect of the Notch ligand Jagged1 proves how mosaic knockouts generated by pooled CRISPR screening in organoids can identify novel ways of communication between heterogeneous cell populations in complex tissues. Collectively, these data demonstrate the feasibility of using complex iPSC- derived organoids for genome-scale screening and serves as a benchmark for future organoid CRISPR screens.

Comprehensive benchmarking of computational methods for single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis is scarce. Using a modular workflow and a large dataset with known cell composition, we benchmarked feature selection and clustering methodologies for scRNA-seq data. Results highlighted a methodology gap for rare cell population identification for which we developed CellSIUS (Cell Subtype Identification from Upregulated gene Sets). CellSIUS outperformed existing approaches, enabled the identification of rare cell populations and, in contrast to other methods, simultaneously revealed transcriptomic signatures indicative of the rare cell function. We exemplified the use of our workflow and CellSIUS for the characterization of a human pluripotent cell 3D spheroid differentiation protocol recapitulating deep-layer corticogenesis in vitro. Results revealed lineage bifurcation between Cajal-Retzius cells and layer V/VI neurons as well as rare cell populations that differ by migratory, metabolic, or cell cycle status, including a choroid plexus neuroepithelial subgroup, revealing previously unrecognized complexity in human stem cell-derived cellular populations.

How closely human organoids recapitulate cell-type diversity and cell-type maturation of their target organs is not well understood. We developed human retinal organoids with multiple nuclear and synaptic layers. We sequenced the RNA of 158,844 single cells from these organoids at six developmental time points and from the periphery, fovea, pigment epithelium and choroid of light-responsive adult human retinas, and performed histochemistry. Cell types in organoids matured in vitro to a stable 'developed' state at a rate similar to human retina development in vivo and the transcriptomes of organoid cell types converged towards the transcriptomes of adult peripheral retinal cell types. The expression of disease-associated genes was significantly cell-type specific in adult retina and cell-type specificity was retained in organoids. We implicate unexpected cell types in diseases such as macular degeneration. This resource identifies cellular targets for studying disease mechanisms in organoids and for targeted repair in adult human retinas.