ABSTRACT We employed our previously-described single-cell gene expression analysis CALISTA (Clustering And Lineage Inference in Single-Cell Transcriptional Analysis) to evaluate transcriptional uncertainty at the single-cell level using a stochastic mechanistic model of gene expression. We reconstructed a transcriptional uncertainty landscape during cell differentiation by visualizing single-cell transcriptional uncertainty surface over a two dimensional representation of the single-cell gene expression data. The reconstruction of transcriptional uncertainty landscapes for ten publicly available single-cell gene expression datasets from cell differentiation processes with linear, single or multi-branching cell lineage, reveals universal features in the cell differentiation trajectory that include: (i) a peak in single-cell uncertainty during transition states, and in systems with bifurcating differentiation trajectories, each branching point represents a state of high transcriptional uncertainty; (ii) a positive correlation of transcriptional uncertainty with transcriptional burst size and frequency; (iii) an increase in RNA velocity preceeding the increase in the cell transcriptional uncertainty. Finally, we provided biological interpretations of the universal rise-then-fall profile of the transcriptional uncertainty landscape, including a link with the Waddington’s epigenetic landscape, that is generalizable to every cell differentiation system.

ABSTRACT The intestinal epithelium has an exceptional capacity to repair following injury, and recent evidence has suggested that YAP-dependent signaling was crucial for the expansion of Clu + revival stem cells (revSCs) with fetal-like characteristics, which are essential for epithelial regeneration. However, neither the mechanism underlying where these revSCs emerge from nor the nature of the physiological cues that induce this revSC program, are clearly identified. Here, we first demonstrate that Alpk1 and Tifa , which encode the proteins essential for the detection of the bacterial metabolite ADP-heptose (ADP-Hep), were expressed by the stem cell pool in the intestinal epithelium. Treatment of intestinal organoids with ADP-Hep not only induced acute NF-κB pro-inflammatory signaling but also TNF-dependent apoptosis within the crypt, causing blunted proliferation and acute disruption of the crypt architecture, while also triggering induction of a revSC program. To identify the molecular underpinnings of this process, we performed single-cell RNA-seq analysis of ADP-Hep-treated organoids as well as lineage-tracing experiments. Our data reveal that ADP-Hep induced the specific ablation of the homeostatic intestinal stem cell (ISC) pool. Removal of ADP-Hep resulted in the rapid recovery of ISCs through dedifferentiation of Paneth cells, which transiently acquired revSC features and expressed nuclear YAP. Moreover, lineage tracing from Lyz1 + Paneth cells showed that ADP-Hep triggered Paneth cell de-differentiation towards pluripotent and proliferative cells in organoids. In vivo , revSC emergence in response to irradiation-induced injury was severely blunted in Tifa -deficient mice, suggesting that efficient epithelial regeneration in this model required detection of microbiota-derived ADP-Hep by the ALPK1-TIFA pathway. Together, our work reveals that Paneth cells can serve as the cell of origin for revSC induction in the physiological context of microbial stimulation, and that the transient loss of Alpk1 -expressing ISCs is the initiating event for this regenerative process.

We present CALISTA (Clustering and Lineage Inference in Single-Cell Transcriptional Analysis), a numerically efficient and highly scalable toolbox for an end-to-end analysis of single-cell transcriptomic profiles. CALISTA includes four essential single-cell analyses for cell differentiation studies, including single-cell clustering, reconstruction of cell lineage specification, transition gene identification, and pseudotemporal cell ordering. In these analyses, we employ a likelihood-based approach where single-cell mRNA counts are described by a probabilistic distribution function associated with stochastic gene transcriptional bursts and random technical dropout events. We evaluated the performance of CALISTA by analyzing single-cell gene expression datasets from in silico simulations and various single-cell transcriptional profiling technologies, comprising a few hundreds to tens of thousands of cells. A comparison with existing single-cell expression analyses, including MONOCLE 2 and SCANPY, demonstrated the superiority of CALISTA in reconstructing cell lineage progression and ordering cells along cell differentiation paths. CALISTA is freely available on https://www.cabselab.com/calista.

Recent advances in single cell transcriptional profiling open up a new avenue in studying the functional role of cell-to-cell variability in physiological processes such as stem cell differentiation. In this work, we developed a novel algorithm called SINCERITIES (SINgle CEll Regularized Inference using TIme-stamped Expression profileS), for the inference of gene regulatory networks (GRNs) from single cell transcriptional expression data. In particular, we focused on time-stamped cross-sectional expression data, a common type of dataset generated from transcriptional profiling of single cells collected at multiple time points after cell stimulation. SINCERITIES recovers the regulatory (causal) relationships among genes by employing regularized linear regression, particularly ridge regression, using temporal changes in the distributions of gene expressions. Meanwhile, the modes of the gene regulations (activation and repression) come from partial correlation analyses between pairs of genes. We demonstrated the efficacy of SINCERITIES in inferring GRNs using simulated time-stamped in silico single cell expression data and single transcriptional profiling of THP-1 monocytic human leukemia cell differentiation. The case studies showed that SINCERITIES could provide accurate GRN predictions, significantly better than other GRN inference algorithms such as TSNI, GENIE3 and JUMP3. Meanwhile, SINCERITIES has a low computational complexity and is amenable to problems of extremely large dimensionality.

Abstract Interferon ε (IFNε) is a unique type I IFN that has been implicated in host defense against sexually transmitted infections (STIs). Zika virus (ZIKV), an emerging pathogen, can infect the female reproductive tract (FRT) and cause devastating diseases, particularly in pregnant women. How IFNε contributes to protection against ZIKV infection in vivo is unknown. Here, we show that IFNε plays a critical role in host protection against vaginal ZIKV infection in mice. We found that IFNε was expressed not only by epithelial cells in the FRT, but also by certain immune and other cells at baseline or after exposure to viruses or specific TLR agonists. IFNε-deficient mice exhibited abnormalities in the epithelial border and underlying tissue in the cervicovaginal tract, and these defects were associated with increased susceptibility to vaginal, but not subcutaneous ZIKV infection. IFNε-deficiency resulted in an increase in magnitude, duration, and depth of ZIKV infection in the FRT. Critically, intravaginal administration of recombinant IFNε protected Ifnε -/- mice and highly susceptible Ifnar1 -/- mice against vaginal ZIKV infection, indicating that IFNε was sufficient to provide protection even in the absence of signals from other type I IFNs and in an IFNAR1-independent manner. Our findings reveal a potentially critical role for IFNε in mediating protection against transmission of ZIKV in the context of sexual contact. Significance Interferon ε (IFNε), a unique Type I IFN that is highly expressed in the epithelium of the female reproductive tract (FRT), is thought to protect the host against sexually transmitted infections (STIs) but the mechanism of action is not defined. Zika virus (ZIKV), a causative agent for preterm birth and other severe diseases in pregnant women, can be spread through vaginal transmission. Here, we show that mice lacking the Ifnε gene have abnormal epithelial development and tissue architecture in the cervicovaginal tract. The role of IFNε in protecting host against ZIKV is FRT-specific and is independent of IFNAR1 signaling. Our findings suggest potential preventive strategies based on harnessing mucosal immunity against STIs.

ABSTRACT The molecular links between tissue-level morphogenesis and the differentiation of cell lineages in the pancreas remain elusive despite a decade of studies. We previously showed that in pancreas both these processes depend on proper lumenogenesis. The Rab GTPase Rab11 has been shown to be essential to epithelial lumen formation in vitro , however few studies have addressed its functions in vivo and none have tested its requirement in pancreas. Here, we show that Rab11 is critical to proper pancreas development. Co-deletion of the Rab11 isoforms Rab11A and Rab11B in the developing pancreatic epithelium (Rab11 pancDKO ) results in ~50% neonatal lethality, and surviving adult Rab11 pancDKO mice exhibit defective endocrine function. Loss of Rab11 in the embryonic pancreas results in morphogenetic defects of the epithelium linked to defective lumen formation and interconnection. In contrast to wildtype cells, Rab11 pancDKO cells attempt to form multiple lumens, resulting in a failure to coordinate a single apical membrane initiation site (AMIS) between groups of cells. We show that these defects are due to failures in vesicle trafficking, as apical components remain trapped within Rab11 pancDKO cells. Together, these observations suggest Rab11 directly regulates epithelial lumen formation and morphogenesis. Our report links intracellular trafficking to organ morphogenesis in vivo , and presents a novel framework for decoding pancreatic development. HIGHLIGHTS Rab11A f/f ;Rab11B -/- ;Pdx1-Cre pancreas displays disruption of epithelial organization and reduction of endocrine cell mass. Loss of Rab11 results in disruption of pancreatic lumen continuity due to a failure of lumen formation. Epithelial cells lacking Rab11 display abnormal polarity.

SUMMARY Understanding maturation pathways of broadly neutralizing antibodies (bnAbs) against HIV-1 in non-human primates can be highly informative for HIV-1 vaccine development. We now obtained a lineage of J038 from Chinese rhesus macaques after 7-years of SHIV infection. J038 has short complementary determining loops and neutralizes 54% of global circulating HIV-1 strains. Its binding induces a unique “up” conformation for one of the V2 loops in the trimeric envelope glycoprotein (Env) and is heavily dependent on glycan, which provides nearly half of the binding surface. The unmutated common ancestor of the J038 lineage antibodies binds monomeric gp120 and neutralizes the autologous virus. Continuous maturation enhances neutralization potency and breadth of J038 lineage antibodies via expanding antibody-Env contact areas surrounding the core region contacted by germline-encoded residues. Developmental details and recognition features of J038 lineage antibodies revealed here provide a new pathway for maturation elicitation of V2-targeting bnAbs. Highlights • Long-term infected NHPs develop antibodies neutralizing up to 54% of HIV-1 strains • Antibody J038 binds one V2 loop on HIV-1 Env trimer in a unique “up” position • UCA of the J038 lineage effectively neutralizes the autologous virus • J038 lineage antibodies mature through gradually increased contact to glycans