Spatial omics emerged as a new frontier of biological and biomedical research. Here, we present spatial-CUT&Tag for spatially resolved genome-wide profiling of histone modifications by combining in situ CUT&Tag chemistry, microfluidic deterministic barcoding, and next-generation sequencing. Spatially resolved chromatin states in mouse embryos revealed tissue-type-specific epigenetic regulations in concordance with ENCODE references and provide spatial information at tissue scale. Spatial-CUT&Tag revealed epigenetic control of the cortical layer development and spatial patterning of cell types determined by histone modification in mouse brain. Single-cell epigenomes can be derived in situ by identifying 20-micrometer pixels containing only one nucleus using immunofluorescence imaging. Spatial chromatin modification profiling in tissue may offer new opportunities to study epigenetic regulation, cell function, and fate decision in normal physiology and pathogenesis.

Abstract The lack of understanding of the cellular and molecular basis of clinical and genetic heterogeneity in progressive multiple sclerosis (MS) has hindered the search for new effective therapies. Here, to address this gap, we analysed 632,000 single nuclei RNAseq profiles of 156 brain tissue samples, comprising white matter (WM) lesions, normal appearing WM, grey matter (GM) lesions and normal appearing GM from 54 MS patients and 26 controls. We observed the expected changes in overall neuronal and glial numbers previously described within the classical lesion subtypes. We found highly cell type-specific gene expression changes in MS tissue, with distinct differences between GM and WM areas, confirming different pathologies. However, surprisingly, we did not observe distinct gene expression signatures for the classical different WM lesion types, rather a continuum of change. This indicates that classical lesion characterization better reflects changes in cell abundance than changes in cell type gene expression, and indicates a global disease effect. Furthermore, the major biological determinants of variability in gene expression in MS WM samples relate to individual patient effects, rather than to lesion types or other metadata. We identify four subgroups of MS patients with distinct WM glial gene expression signatures and patterns of oligodendrocyte stress and/or maturation, suggestive of engagement of different pathological processes, with an additional more variable regenerative astrocyte signature. The discovery of these patterns, which were also found in an independent MS patient cohort, provides a framework to use molecular biomarkers to stratify patients for optimal therapeutic approaches for progressive MS, significantly advances our mechanistic understanding of progressive MS, and highlights the need for precision-medicine approaches to address heterogeneity among MS patients.

Oligodendrogenesis in the human central nervous system has been mainly observed at the second trimester of gestation, a much later developmental stage compared to mouse. Here we characterize the transcriptomic neural diversity in the human forebrain at post conceptual weeks (PCW) 8 to 10, using single-cell RNA-Seq. We find evidence of the emergence of a first wave of oligodendrocyte lineage cells as early as PCW 8, which we also confirm at the epigenomic level with single-cell ATAC-Seq. Using regulatory network inference, we predict key transcriptional events leading to the specification of oligodendrocyte precursor cells (OPCs). Moreover, by profiling the spatial expression of fifty key genes using In Situ Sequencing (ISS), we identify regions in the human ventral fetal forebrain where oligodendrogenesis first occurs. Our results indicate evolutionary conservation of the first wave of oligodendrogenesis between mouse and human and describe regulatory mechanisms required for human OPC specification.

SUMMARY Multiple sclerosis (MS) is a neurological disease characterised by multifocal lesions and smouldering pathology. While single-cell analyses have provided insights into neuropathology, cellular processes underlying MS remain poorly understood. We modelled the cellular dynamics of MS by examining temporal and regional rates of disease progression in the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model. By performing single-cell spatial expression profiling using In situ sequencing, we annotated disease neighbourhoods during lesion evolution and found centrifugal propagation of active lesions. We demonstrated that disease-associated (DA) glia are dynamic and induced independently of lesions, preceding their formation. Single-cell spatial analysis of human archival MS spinal cord confirmed differential distribution of DA-glia, enabled deconvolution of active and inactive lesions into sub-compartments, and identification of new lesion areas. By establishing a spatial resource of mouse and human MS neuropathology at a single-cell resolution, our study unveils the intricate cellular dynamics underlying MS disease evolution.

ABSTRACT Oligodendrocytes show transcriptional heterogeneity but the regional and functional implications of this heterogeneity are less clear. Here, we apply in situ sequencing (ISS) to simultaneously probe the expression of 124 marker genes of distinct oligodendrocyte populations, providing comprehensive maps of corpus callosum, cingulate, motor and somatosensory cortex in the brain, as well as gray (GM) and white matter (WM) regions in the spinal cord, at juvenile and adult stages. We systematically compare abundances of these populations and investigate the neighboring preference of distinct oligodendrocyte populations. As previously described, we observed that oligodendrocyte lineage progression is more advanced in the juvenile spinal cord compared to the brain. Additionally, myelination is ongoing in the adult corpus callosum while it is mostly completed in the cortex. Interestingly, we found a medial-to-lateral gradient of oligodendrocyte lineage progression in the juvenile cortex, which could be linked to arealization, as well as a deep-to-superficial gradient with mature oligodendrocytes preferentially accumulating in the deeper layers of the cortex. We observed differences in abundances and population dynamics over time between GM and WM regions in the brain and spinal cord, indicating regional differences within GM and WM. We also found that oligodendroglia populations’ neighboring preferences are altered from the juvenile to the adult CNS. Thus, our ISS dataset reveals spatial heterogeneity of the oligodendrocyte lineage progression in the brain and spinal cord, which could be relevant to further investigate functional heterogeneity of oligodendroglia.

In the mouse embryonic forebrain, developmentally distinct oligodendrocyte progenitor cell populations and their progeny, oligodendrocytes, emerge from three distinct regions in a spatiotemporal gradient from ventral to dorsal. However, the functional importance of this oligodendrocyte developmental heterogeneity is unknown. Using a genetic strategy to ablate dorsally derived oligodendrocyte lineage cells (OLCs), we show here that the areas in which dorsally derived OLCs normally reside in the adult central nervous system become populated and myelinated by OLCs of ventral origin. These ectopic oligodendrocytes (eOLs) have a distinctive gene expression profile as well as subtle myelination abnormalities. The failure of eOLs to fully assume the role of the original dorsally derived cells results in locomotor and cognitive deficits in the adult animal. This study reveals the importance of developmental heterogeneity within the oligodendrocyte lineage and its importance for homeostatic brain function.

Abstract Multiple sclerosis ( MS ) is a chronic demyelinating autoimmune disease that targets mature oligodendrocytes (MOLs ) and their myelin. MOLs are transcriptionally heterogeneous and can transition to immune-like states in the context of MS. However, the intricacies of their dynamics throughout disease progression remain poorly understood. Here, we employed simultaneous single-cell multiome ATAC and RNA sequencing targeting oligodendroglia ( OLGs ) from the experimental autoimmune encephalomyelitis ( EAE ) MS mouse model at different stages of the disease course. We found that the transition to immune OLG states appear already at the early stages of EAE and persist to the late stages of the disease. Interestingly, transcription factor activity suggested immunosuppression in MOLs at early stages of EAE and we also observed a transitory activation of a regenerative program in MOLs at this stage. Importantly, different MOLs exhibit a differential responsiveness to EAE, with MOL2 exhibiting a stronger transcriptional immune response than MOL5/6. Moreover, we observed divergent responses at the epigenetic level of MOL2 and MOL5/6 during disease evolution. Thus, our single-cell multiomic resource highlights dynamic and distinct responses of OLG subpopulations to the evolving environment in EAE, which might modulate their response to regenerative therapeutic interventions in MS.

Cellular DNA damage response (DDR) involves dramatic transcriptional alterations, the mechanisms of which remain ill-defined. Given the centrality of RNA polymerase II (Pol II) promoter-proximal pause release in transcriptional control, we evaluated its importance in DDR. Here we show that following genotoxic stress, the RNA-binding motif protein 7 (RBM7) stimulates Pol II elongation and promotes cell viability by activating the positive transcription elongation factor b (P-TEFb). This is mediated by genotoxic stress-enhanced binding of RBM7 to 7SK snRNA (7SK), the scaffold of the 7SK small nuclear ribonucleoprotein (7SK snRNP) which inhibits P-TEFb. In turn, P-TEFb relocates from 7SK snRNP to chromatin to induce transcription of short units including key DDR genes and multiple classes of non-coding RNAs. Critically, interfering with RBM7 or P-TEFb provokes cellular hypersensitivity to DNA damage-inducing agents through activation of apoptotic program. By alleviating the inhibition of P-TEFb, RBM7 thus facilitates Pol II elongation to enable a pro-survival transcriptional response that is crucial for cell fate upon genotoxic insult. Our work uncovers a new paradigm in stress-dependent control of Pol II pause release, and offers the promise for designing novel anti-cancer interventions using RBM7 and P-TEFb antagonists in combination with DNA-damaging chemotherapeutics.

The ability to spatially map multiple layers of the omics information over different time points allows for exploring the mechanisms driving brain development, differentiation, arealization, and alterations in disease. Herein we developed and applied spatial tri-omic sequencing technologies, DBiT ARP-seq (spatial ATAC-RNA-Protein-seq) and DBiT CTRP-seq (spatial CUT&Tag-RNA-Protein-seq) together with multiplexed immunofluorescence imaging (CODEX) to map spatial dynamic remodeling in brain development and neuroinflammation. A spatiotemporal tri-omic atlas of the mouse brain was obtained at different stages from postnatal day P0 to P21, and compared to the regions of interest in the human developing brains. Specifically, in the cortical area, we discovered temporal persistence and spatial spreading of chromatin accessibility for the layer-defining transcription factors. In corpus callosum, we observed dynamic chromatin priming of myelin genes across the subregions. Together, it suggests a role for layer specific projection neurons to coordinate axonogenesis and myelination. We further mapped the brain of a lysolecithin (LPC) neuroinflammation mouse model and observed common molecular programs in development and neuroinflammation. Microglia, exhibiting both conserved and distinct programs for inflammation and resolution, are transiently activated not only at the core of the LPC lesion, but also at distal locations presumably through neuronal circuitry. Thus, this work unveiled common and differential mechanisms in brain development and neuroinflammation, resulting in a valuable data resource to investigate brain development, function and disease.