Mammalian organogenesis is a remarkable process. Within a short timeframe, the cells of the three germ layers transform into an embryo that includes most of the major internal and external organs. Here we investigate the transcriptional dynamics of mouse organogenesis at single-cell resolution. Using single-cell combinatorial indexing, we profiled the transcriptomes of around 2 million cells derived from 61 embryos staged between 9.5 and 13.5 days of gestation, in a single experiment. The resulting ‘mouse organogenesis cell atlas’ (MOCA) provides a global view of developmental processes during this critical window. We use Monocle 3 to identify hundreds of cell types and 56 trajectories, many of which are detected only because of the depth of cellular coverage, and collectively define thousands of corresponding marker genes. We explore the dynamics of gene expression within cell types and trajectories over time, including focused analyses of the apical ectodermal ridge, limb mesenchyme and skeletal muscle. Data from single-cell combinatorial-indexing RNA-sequencing analysis of 2 million cells from mouse embryos between embryonic days 9.5 and 13.5 are compiled in a cell atlas of mouse organogenesis, which provides a global view of developmental processes occurring during this critical period.

To resolve cellular heterogeneity, we developed a combinatorial indexing strategy to profile the transcriptomes of single cells or nuclei, termed sci-RNA-seq (single-cell combinatorial indexing RNA sequencing). We applied sci-RNA-seq to profile nearly 50,000 cells from the nematode Caenorhabditis elegans at the L2 larval stage, which provided >50-fold "shotgun" cellular coverage of its somatic cell composition. From these data, we defined consensus expression profiles for 27 cell types and recovered rare neuronal cell types corresponding to as few as one or two cells in the L2 worm. We integrated these profiles with whole-animal chromatin immunoprecipitation sequencing data to deconvolve the cell type-specific effects of transcription factors. The data generated by sci-RNA-seq constitute a powerful resource for nematode biology and foreshadow similar atlases for other organisms.

Although we can increasingly measure transcription, chromatin, methylation, and other aspects of molecular biology at single-cell resolution, most assays survey only one aspect of cellular biology. Here we describe sci-CAR, a combinatorial indexing-based coassay that jointly profiles chromatin accessibility and mRNA (CAR) in each of thousands of single cells. As a proof of concept, we apply sci-CAR to 4825 cells, including a time series of dexamethasone treatment, as well as to 11,296 cells from the adult mouse kidney. With the resulting data, we compare the pseudotemporal dynamics of chromatin accessibility and gene expression, reconstruct the chromatin accessibility profiles of cell types defined by RNA profiles, and link cis-regulatory sites to their target genes on the basis of the covariance of chromatin accessibility and transcription across large numbers of single cells.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleNEXTNew Sensitizer-Modified Calix[4]arenes Enabling Near-UV Excitation of Complexed Luminescent Lanthanide IonsFrank J. Steemers, Willem Verboom, David N. Reinhoudt, Erik B. van der Tol, and Jan W. VerhoevenCite this: J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 37, 9408–9414Publication Date (Print):September 1, 1995Publication History Published online1 May 2002Published inissue 1 September 1995https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja00142a004https://doi.org/10.1021/ja00142a004research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views2555Altmetric-Citations672LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (2)»Supporting Information Supporting Information Get e-Alerts

We applied a combinatorial indexing assay, sci-ATAC-seq, to profile genome-wide chromatin accessibility in ∼100,000 single cells from 13 adult mouse tissues. We identify 85 distinct patterns of chromatin accessibility, most of which can be assigned to cell types, and ∼400,000 differentially accessible elements. We use these data to link regulatory elements to their target genes, to define the transcription factor grammar specifying each cell type, and to discover in vivo correlates of heterogeneity in accessibility within cell types. We develop a technique for mapping single cell gene expression data to single-cell chromatin accessibility data, facilitating the comparison of atlases. By intersecting mouse chromatin accessibility with human genome-wide association summary statistics, we identify cell-type-specific enrichments of the heritability signal for hundreds of complex traits. These data define the in vivo landscape of the regulatory genome for common mammalian cell types at single-cell resolution.

Linking regulatory DNA elements to their target genes, which may be located hundreds of kilobases away, remains challenging. Here, we introduce Cicero, an algorithm that identifies co-accessible pairs of DNA elements using single-cell chromatin accessibility data and so connects regulatory elements to their putative target genes. We apply Cicero to investigate how dynamically accessible elements orchestrate gene regulation in differentiating myoblasts. Groups of Cicero-linked regulatory elements meet criteria of "chromatin hubs"-they are enriched for physical proximity, interact with a common set of transcription factors, and undergo coordinated changes in histone marks that are predictive of changes in gene expression. Pseudotemporal analysis revealed that most DNA elements remain in chromatin hubs throughout differentiation. A subset of elements bound by MYOD1 in myoblasts exhibit early opening in a PBX1- and MEIS1-dependent manner. Our strategy can be applied to dissect the architecture, sequence determinants, and mechanisms of cis-regulation on a genome-wide scale.

The genetic factors underlying common disease arelargely unknown. Discovery of disease-causing genes willtransform our knowledge of the genetic contribution tohuman disease, lead to new genetic screens, and underpinresearch into new cures and improved lifestyles. The sequencing of the human genome has catalyzed efforts tosearch for disease genes by the strategy of associating sequence variants with measurable phenotypes. In particular, the Human Genome Project and follow-on efforts tocharacterize genetic variation have resulted in the discovery of millions of single-nucleotide polymorphisms(SNPs) (Patil et al. 2001; Sachidanandam et al. 2001;Reich et al. 2003). This represents a significant fraction ofcommon genetic variation in the human genome and creates an unprecedented opportunity to associate genes withphenotypes via large-scale SNP genotyping studies...

The genomics of human development Understanding the trajectory of a developing human requires an understanding of how genes are regulated and expressed. Two papers now present a pooled approach using three levels of combinatorial indexing to examine the single-cell gene expression and chromatin landscapes from 15 organs in fetal samples. Cao et al. focus on measurements of RNA in broadly distributed cell types and provide insights into organ specificity. Domcke et al. examined the chromatin accessibility of cells from these organs and identify the regulatory elements that regulate gene expression. Together, these analyses generate comprehensive atlases of early human development. Science , this issue p. eaba7721 , p. eaba7612

Array-CGH is a powerful tool for the detection of chromosomal aberrations. The introduction of high-density SNP genotyping technology to genomic profiling, termed SNP-CGH, represents a further advance, since simultaneous measurement of both signal intensity variations and changes in allelic composition makes it possible to detect both copy number changes and copy-neutral loss-of-heterozygosity (LOH) events. We demonstrate the utility of SNP-CGH with two Infinium whole-genome genotyping BeadChips, assaying 109,000 and 317,000 SNP loci, to detect chromosomal aberrations in samples bearing constitutional aberrations as well tumor samples at sub-100 kb effective resolution. Detected aberrations include homozygous deletions, hemizygous deletions, copy-neutral LOH, duplications, and amplifications. The statistical ability to detect common aberrations was modeled by analysis of an X chromosome titration model system, and sensitivity was modeled by titration of gDNA from a tumor cell with that of its paired normal cell line. Analysis was facilitated by using a genome browser that plots log ratios of normalized intensities and allelic ratios along the chromosomes. We developed two modes of SNP-CGH analysis, a single sample and a paired sample mode. The single sample mode computes log intensity ratios and allelic ratios by referencing to canonical genotype clusters generated from ∼120 reference samples, whereas the paired sample mode uses a paired normal reference sample from the same individual. Finally, the two analysis modes are compared and contrasted for their utility in analyzing different types of input gDNA: low input amounts, fragmented gDNA, and Phi29 whole-genome pre-amplified DNA.