Summary

 Cells, the basic units of biological structure and function, vary broadly in type and state. Single-cell genomics can characterize cell identity and function, but limitations of ease and scale have prevented its broad application. Here we describe Drop-seq, a strategy for quickly profiling thousands of individual cells by separating them into nanoliter-sized aqueous droplets, associating a different barcode with each cell's RNAs, and sequencing them all together. Drop-seq analyzes mRNA transcripts from thousands of individual cells simultaneously while remembering transcripts' cell of origin. We analyzed transcriptomes from 44,808 mouse retinal cells and identified 39 transcriptionally distinct cell populations, creating a molecular atlas of gene expression for known retinal cell classes and novel candidate cell subtypes. Drop-seq will accelerate biological discovery by enabling routine transcriptional profiling at single-cell resolution. 

Video Abstract

Schizophrenia is a heritable brain illness with unknown pathogenic mechanisms. Schizophrenia’s strongest genetic association at a population level involves variation in the major histocompatibility complex (MHC) locus, but the genes and molecular mechanisms accounting for this have been challenging to identify. Here we show that this association arises in part from many structurally diverse alleles of the complement component 4 (C4) genes. We found that these alleles generated widely varying levels of C4A and C4B expression in the brain, with each common C4 allele associating with schizophrenia in proportion to its tendency to generate greater expression of C4A. Human C4 protein localized to neuronal synapses, dendrites, axons, and cell bodies. In mice, C4 mediated synapse elimination during postnatal development. These results implicate excessive complement activity in the development of schizophrenia and may help explain the reduced numbers of synapses in the brains of individuals with schizophrenia. WebSchizophrenia is associated with genetic variation at the major histocompatibility complex locus; this study reveals that alleles at this locus associate with schizophrenia in proportion to their tendency to generate greater expression of complement component 4 (C4A) genes and that C4 promotes the elimination of synpases. The strongest genetic association found in schizophrenia is its association to genetic markers across the major histocompatibility complex (MHC) locus, first described in three Nature papers in 2009. The association signal at the MHC is extremely complex. Here Steven McCarroll and colleagues report a dissection of the MHC association to schizophrenia. They find a strong contribution from many structurally diverse alleles of the complement component 4 (C4) genes. The linkage was higher for C4 alleles that promoted greater expression of C4A, measured in the brain tissues of adult post-mortem donors with or without schizophrenia. The authors suggest that C4 may work with other components of the classical complement cascade to promote synaptic pruning, and demonstrate that C4 mediates synaptic refinement in a mouse model.

Summary

 The mammalian brain is composed of diverse, specialized cell populations. To systematically ascertain and learn from these cellular specializations, we used Drop-seq to profile RNA expression in 690,000 individual cells sampled from 9 regions of the adult mouse brain. We identified 565 transcriptionally distinct groups of cells using computational approaches developed to distinguish biological from technical signals. Cross-region analysis of these 565 cell populations revealed features of brain organization, including a gene-expression module for synthesizing axonal and presynaptic components, patterns in the co-deployment of voltage-gated ion channels, functional distinctions among the cells of the vasculature and specialization of glutamatergic neurons across cortical regions. Systematic neuronal classifications for two complex basal ganglia nuclei and the striatum revealed a rare population of spiny projection neurons. This adult mouse brain cell atlas, accessible through interactive online software (DropViz), serves as a reference for development, disease, and evolution.

To test the hypothesis that somatic phosphatidylinositol-4,5-bisphospate 3-kinase, catalytic subunit alpha (PIK3CA) mutations would be found in patients with more common disorders including isolated lymphatic malformation (LM) and Klippel-Trenaunay syndrome (KTS).We used next generation sequencing, droplet digital polymerase chain reaction, and single molecule molecular inversion probes to search for somatic PIK3CA mutations in affected tissue from patients seen at Boston Children's Hospital who had an isolated LM (n = 17), KTS (n = 21), fibro-adipose vascular anomaly (n = 8), or congenital lipomatous overgrowth with vascular, epidermal, and skeletal anomalies syndrome (n = 33), the disorder for which we first identified somatic PIK3CA mutations. We also screened 5 of the more common PIK3CA mutations in a second cohort of patients with LM (n = 31) from Seattle Children's Hospital.Most individuals from Boston Children's Hospital who had isolated LM (16/17) or LM as part of a syndrome, such as KTS (19/21), fibro-adipose vascular anomaly (5/8), and congenital lipomatous overgrowth with vascular, epidermal, and skeletal anomalies syndrome (31/33) were somatic mosaic for PIK3CA mutations, with 5 specific PIK3CA mutations accounting for ∼ 80% of cases. Seventy-four percent of patients with LM from Seattle Children's Hospital also were somatic mosaic for 1 of 5 specific PIK3CA mutations. Many affected tissue specimens from both cohorts contained fewer than 10% mutant cells.Somatic PIK3CA mutations are the most common cause of isolated LMs and disorders in which LM is a component feature. Five PIK3CA mutations account for most cases. The search for causal mutations requires sampling of affected tissues and techniques that are capable of detecting low-level somatic mosaicism because the abundance of mutant cells in a malformed tissue can be low.

The authors surveyed whole-exome and RNA-sequencing data from 252 unique pluripotent stem cell lines, some of which are in the pipeline for clinical use, and found that approximately 5% of cell lines had acquired mutations in the TP53 gene that allow mutant cells to rapidly outcompete non-mutant cells, but do not prevent differentiation. Copy number variants at particular genomic locations have been shown to arise in human pluripotent stem cells (hPSCs) under certain culture conditions, but the extent of acquired mutations in such culture remains to be determined. Kevin Eggan and colleagues surveyed the exomes of 140 human embryonic stem cell (hESC) lines, some of which are in the pipeline for clinical use.They identified mosaic mutations in the TP53 gene in a subset of cells for five unrelated hESC lines and show that the cells carrying the mutations outcompeted the non-mutant cells and could readily differentiate. Similar mutations were also identified by mining published datasets for an additional 14 hESC lines and more than 100 human induced PSC lines. The study highlights the need for in-depth characterization of cells derived from hPSCs before their use in the clinic. Human pluripotent stem cells (hPS cells) can self-renew indefinitely, making them an attractive source for regenerative therapies. This expansion potential has been linked with the acquisition of large copy number variants that provide mutated cells with a growth advantage in culture1,2,3. The nature, extent and functional effects of other acquired genome sequence mutations in cultured hPS cells are not known. Here we sequence the protein-coding genes (exomes) of 140 independent human embryonic stem cell (hES cell) lines, including 26 lines prepared for potential clinical use4. We then apply computational strategies for identifying mutations present in a subset of cells in each hES cell line5. Although such mosaic mutations were generally rare, we identified five unrelated hES cell lines that carried six mutations in the TP53 gene that encodes the tumour suppressor P53. The TP53 mutations we observed are dominant negative and are the mutations most commonly seen in human cancers. We found that the TP53 mutant allelic fraction increased with passage number under standard culture conditions, suggesting that the P53 mutations confer selective advantage. We then mined published RNA sequencing data from 117 hPS cell lines, and observed another nine TP53 mutations, all resulting in coding changes in the DNA-binding domain of P53. In three lines, the allelic fraction exceeded 50%, suggesting additional selective advantage resulting from the loss of heterozygosity at the TP53 locus. As the acquisition and expansion of cancer-associated mutations in hPS cells may go unnoticed during most applications, we suggest that careful genetic characterization of hPS cells and their differentiated derivatives be carried out before clinical use.

Human brains vary across people and over time; such variation is not yet understood in cellular terms. Here we describe a relationship between people's cortical neurons and cortical astrocytes. We used single-nucleus RNA sequencing to analyse the prefrontal cortex of 191 human donors aged 22-97 years, including healthy individuals and people with schizophrenia. Latent-factor analysis of these data revealed that, in people whose cortical neurons more strongly expressed genes encoding synaptic components, cortical astrocytes more strongly expressed distinct genes with synaptic functions and genes for synthesizing cholesterol, an astrocyte-supplied component of synaptic membranes. We call this relationship the synaptic neuron and astrocyte program (SNAP). In schizophrenia and ageing-two conditions that involve declines in cognitive flexibility and plasticity1,2-cells divested from SNAP: astrocytes, glutamatergic (excitatory) neurons and GABAergic (inhibitory) neurons all showed reduced SNAP expression to corresponding degrees. The distinct astrocytic and neuronal components of SNAP both involved genes in which genetic risk factors for schizophrenia were strongly concentrated. SNAP, which varies quantitatively even among healthy people of similar age, may underlie many aspects of normal human interindividual differences and may be an important point of convergence for multiple kinds of pathophysiology.

Many common illnesses differentially affect men and women for unknown reasons. The autoimmune diseases lupus and Sjögren’s syndrome affect nine times more women than men 1,2 , whereas schizophrenia affects men more frequently and severely 3–5 . All three illnesses have their strongest common-genetic associations in the Major Histocompatibility Complex (MHC) locus, an association that in lupus and Sjögren’s syndrome has long been thought to arise from HLA alleles 6–13 . Here we show that the complement component 4 ( C4 ) genes in the MHC locus, recently found to increase risk for schizophrenia 14 , generate 7-fold variation in risk for lupus (95% CI: 5.88-8.61; p < 10 −117 in total) and 16-fold variation in risk for Sjögren’s syndrome (95% CI: 8.59-30.89; p < 10 −23 in total), with C4A protecting more strongly than C4B in both illnesses. The same alleles that increase risk for schizophrenia, greatly reduced risk for lupus and Sjögren’s syndrome. In all three illnesses, C4 alleles acted more strongly in men than in women: common combinations of C4A and C4B generated 14-fold variation in risk for lupus and 31-fold variation in risk for Sjögren’s syndrome in men (vs. 6-fold and 15-fold among women respectively) and affected schizophrenia risk about twice as strongly in men as in women. At a protein level, both C4 and its effector (C3) were present at greater levels in men than women in cerebrospinal fluid ( p < 10 −5 for both C4 and C3) and plasma among adults ages 20-50 15–17 , corresponding to the ages of differential disease vulnerability. Sex differences in complement protein levels may help explain the larger effects of C4 alleles in men, women’s greater risk of SLE and Sjögren’s, and men’s greater vulnerability in schizophrenia. These results nominate the complement system as a source of sexual dimorphism in vulnerability to diverse illnesses.

Structural variants (SVs) comprise the largest genetic variants, altering from 50 base pairs to megabases of DNA. However, SVs have not been effectively ascertained in most genetic association studies, leaving a key gap in our understanding of human complex trait genetics. We ascertained protein-altering SVs from UK Biobank whole-exome sequencing data (n=468,570) using haplotype-informed methods capable of detecting sub-exonic SVs and variation within segmental duplications. Incorporating SVs into analyses of rare variants predicted to cause gene loss-of-function (pLoF) identified 100 associations of pLoF variants with 41 quantitative traits. A low-frequency partial deletion of RGL3 exon 6 appeared to confer one of the strongest protective effects of gene LoF on hypertension risk (OR = 0.86 [0.82-0.90]). Protein-coding variation in rapidly-evolving gene families within segmental duplications-previously invisible to most analysis methods-appeared to generate some of the human genome's largest contributions to variation in type 2 diabetes risk, chronotype, and blood cell traits. These results illustrate the potential for new genetic insights from genomic variation that has escaped large-scale analysis to date.

Retrotransposons comprise about 45% of the human genome

The mammalian brain is composed of diverse, specialized cell populations, few of which we fully understand. To more systematically ascertain and learn from cellular specializations in the brain, we used Drop-seq to perform single-cell RNA sequencing of 690,000 cells sampled from nine regions of the adult mouse brain: frontal and posterior cortex (156,000 and 99,000 cells, respectively), hippocampus (113,000), thalamus (89,000), cerebellum (26,000), and all of the basal ganglia - the striatum (77,000), globus pallidus externus/nucleus basalis (66,000), entopeduncular/subthalamic nuclei (19,000), and the substantia nigra/ventral tegmental area (44,000). We developed computational approaches to distinguish biological from technical signals in single-cell data, then identified 565 transcriptionally distinct groups of cells, which we annotate and present through interactive online software we developed for visualizing and re-analyzing these data (DropViz). Comparison of cell classes and types across regions revealed features of brain organization. These included a neuronal gene-expression module for synthesizing axonal and presynaptic components; widely shared patterns in the combinatorial co-deployment of voltage-gated ion channels by diverse neuronal populations; functional distinctions among cells of the brain vasculature; and specialization of glutamatergic neurons across cortical regions to a degree not observed in other neuronal or non-neuronal populations. We describe systematic neuronal classifications for two complex, understudied regions of the basal ganglia, the globus pallidus externus and substantia nigra reticulata. In the striatum, where neuron types have been intensely researched, our data reveal a previously undescribed population of striatal spiny projection neurons (SPNs) comprising 4% of SPNs. The adult mouse brain cell atlas can serve as a reference for analyses of development, disease, and evolution.