SUMMARY Both transcription and 3D organization of the mammalian genome play critical roles in neurodevelopment and its disorders. However, 3D genome structures of single brain cells have not been solved; little is known about the dynamics of single-cell transcriptome and 3D genome after birth. Here we generate a transcriptome atlas of 3,517 cells and a 3D genome atlas of 3,646 cells from the developing mouse cortex and hippocampus, using our high-resolution MALBAC-DT and Dip-C methods. In adults, 3D genome “structure types” delineate all major cell types, with high correlation between A/B compartments and gene expression. During development, both transcriptome and 3D genome are extensively transformed in the first postnatal month. In neurons, 3D genome is rewired across multiple scales, correlated with gene expression modules and independent of sensory experience. Finally, we examine allele-specific structure of imprinted genes, revealing local and chromosome-wide differences. These findings uncover a previously unknown dimension of neurodevelopment. HIGHLIGHTS Transcriptomes and 3D genome structures of single brain cells (both neurons and glia) in the developing mouse forebrain Cell type identity encoded in the 3D wiring of the mammalian genome (“structure types”) Major transformation of both transcriptome and 3D genome during the first month of life, independent of sensory experience Allele-specific 3D structure at 7 imprinted gene loci, including one that spans a whole chromosome

By circumventing cellular heterogeneity, single cell omics have now been widely utilized for cell typing in human tissues, culminating with the undertaking of human cell atlas aimed at characterizing all human cell types. However, more important are the probing of gene regulatory networks, underlying chromatin architecture and critical transcription factors for each cell type. Here we report the Genomic Architecture of Cells in Tissues (GeACT), a comprehensive genomic data base that collectively address the above needs with the goal of understanding the functional genome in action. GeACT was made possible by our novel single-cell RNA-seq (MALBAC-DT) and ATAC-seq (METATAC) methods of high detectability and precision. We exemplified GeACT by first studying representative organs in human mid-gestation fetus. In particular, correlated gene modules (CGMs) are observed and found to be cell-type-dependent. We linked gene expression profiles to the underlying chromatin states, and found the key transcription factors for representative CGMs.### Competing Interest StatementA.R.C., D.F.L., and X.S.X. are inventors on the patent PCT/US18/34689 filed by President and Fellows of Harvard College that covers MALBAC-DT. L.T., D.X., and X.S.X. are inventors on a patent WO2018217912A1 filed by President and Fellows of Harvard College that covers METATAC.

Abstract Inside human nuclei, genes are transcribed within a highly packed genome, whose organization is facilitated by cohesin-mediated loop extrusion. However, whether cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription is unknown. Here we report that the cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription by forming a topoisomerases-regulated transcription elongation loop (TEL), in which cohesin is stalled at the transcription start site (TSS) and gradually extrudes loops asymmetrically until reaching the transcription termination site (TTS). By improving the spatial resolution of single-cell 3D genome mapping to 5 kb with micrococcal nuclease (MNase) in our new single-cell Micro-C (scMicro-C) method, we directly observed the loop expansion of TELs. Furthermore, TEL’s biological function is to ensure high transcriptional burst frequencies by fast re-initiation of RNA Pol II. One-Sentence Summary Single-cell high-resolution 3D genome structures reveal that cohesin-mediated loop extrusion participates in transcription.