The exploration of microarray data and data from other high-throughput projects for hypothesis generation has become a vital aspect of post-genomic research. For the non-bioinformatics specialist, however, many of the currently available tools provide overwhelming amounts of data that are presented in a non-intuitive way.In order to facilitate the interpretation and analysis of microarray data and data from other large-scale data sets, we have developed a tool, which we have dubbed the electronic Fluorescent Pictograph - or eFP - Browser, available at http://www.bar.utoronto.ca/, for exploring microarray and other data for hypothesis generation. This eFP Browser engine paints data from large-scale data sets onto pictographic representations of the experimental samples used to generate the data sets. We give examples of using the tool to present Arabidopsis gene expression data from the AtGenExpress Consortium (Arabidopsis eFP Browser), data for subcellular localization of Arabidopsis proteins (Cell eFP Browser), and mouse tissue atlas microarray data (Mouse eFP Browser).The eFP Browser software is easily adaptable to microarray or other large-scale data sets from any organism and thus should prove useful to a wide community for visualizing and interpreting these data sets for hypothesis generation.

Macrophages are critical for innate immune defense and also control organ homeostasis in a tissue-specific manner. They provide a fitting model to study the impact of ontogeny and microenvironment on chromatin state and whether chromatin modifications contribute to macrophage identity. Here, we profile the dynamics of four histone modifications across seven tissue-resident macrophage populations. We identify 12,743 macrophage-specific enhancers and establish that tissue-resident macrophages have distinct enhancer landscapes beyond what can be explained by developmental origin. Combining our enhancer catalog with gene expression profiles and open chromatin regions, we show that a combination of tissue- and lineage-specific transcription factors form the regulatory networks controlling chromatin specification in tissue-resident macrophages. The environment is capable of shaping the chromatin landscape of transplanted bone marrow precursors, and even differentiated macrophages can be reprogramed when transferred into a new microenvironment. These results provide a comprehensive view of macrophage regulatory landscape and highlight the importance of the microenvironment, along with pioneer factors in orchestrating identity and plasticity.

Within the bone marrow, stem cells differentiate and give rise to diverse blood cell types and functions. Currently, hematopoietic progenitors are defined using surface markers combined with functional assays that are not directly linked with in vivo differentiation potential or gene regulatory mechanisms. Here, we comprehensively map myeloid progenitor subpopulations by transcriptional sorting of single cells from the bone marrow. We describe multiple progenitor subgroups, showing unexpected transcriptional priming toward seven differentiation fates but no progenitors with a mixed state. Transcriptional differentiation is correlated with combinations of known and previously undefined transcription factors, suggesting that the process is tightly regulated. Histone maps and knockout assays are consistent with early transcriptional priming, while traditional transplantation experiments suggest that in vivo priming may still allow for plasticity given strong perturbations. These data establish a reference model and general framework for studying hematopoiesis at single-cell resolution.

Microglia development follows a stepwise program Microglia are cells that defend the central nervous system. However, because they migrate into the brain during development, the changes that they undergo, including those that affect gene expression, have been difficult to document. Matcovitch-Natan et al. transcriptionally profiled gene expression and analyzed epigenetic signatures of microglia at the single-cell level in the early postnatal life of mice. They identified three stages of microglia development, which are characterized by gene expression and linked with chromatin changes, occurring in sync with the developing brain. Furthermore, they showed that the proper development of microglia is affected by the microbiome. Science , this issue p. 789

Rationale: The contributions of diverse cell populations in the human lung to pulmonary fibrosis pathogenesis are poorly understood. Single-cell RNA sequencing can reveal changes within individual cell populations during pulmonary fibrosis that are important for disease pathogenesis.Objectives: To determine whether single-cell RNA sequencing can reveal disease-related heterogeneity within alveolar macrophages, epithelial cells, or other cell types in lung tissue from subjects with pulmonary fibrosis compared with control subjects.Methods: We performed single-cell RNA sequencing on lung tissue obtained from eight transplant donors and eight recipients with pulmonary fibrosis and on one bronchoscopic cryobiospy sample from a patient with idiopathic pulmonary fibrosis. We validated these data using in situ RNA hybridization, immunohistochemistry, and bulk RNA-sequencing on flow-sorted cells from 22 additional subjects.Measurements and Main Results: We identified a distinct, novel population of profibrotic alveolar macrophages exclusively in patients with fibrosis. Within epithelial cells, the expression of genes involved in Wnt secretion and response was restricted to nonoverlapping cells. We identified rare cell populations including airway stem cells and senescent cells emerging during pulmonary fibrosis. We developed a web-based tool to explore these data.Conclusions: We generated a single-cell atlas of pulmonary fibrosis. Using this atlas, we demonstrated heterogeneity within alveolar macrophages and epithelial cells from subjects with pulmonary fibrosis. These results support the feasibility of discovery-based approaches using next-generation sequencing technologies to identify signaling pathways for targeting in the development of personalized therapies for patients with pulmonary fibrosis.

Opening and closing blood enhancers As cells develop and differentiate into different types, the shape and accessibility of their DNA can change. Lara-Astiaso et al. studied this phenomenon in blood. They developed a technique that examines a relatively small number of cells to identify the changes that affect DNA during blood development. They found that the DNA of noncoding regions, called enhancers, is set in an open position when cells are undifferentiated and able to take on a variety of roles and gradually closes as cells mature into their final forms. Science , this issue p. 943

The intestinal microbiota undergoes diurnal compositional and functional oscillations that affect metabolic homeostasis, but the mechanisms by which the rhythmic microbiota influences host circadian activity remain elusive. Using integrated multi-omics and imaging approaches, we demonstrate that the gut microbiota features oscillating biogeographical localization and metabolome patterns that determine the rhythmic exposure of the intestinal epithelium to different bacterial species and their metabolites over the course of a day. This diurnal microbial behavior drives, in turn, the global programming of the host circadian transcriptional, epigenetic, and metabolite oscillations. Surprisingly, disruption of homeostatic microbiome rhythmicity not only abrogates normal chromatin and transcriptional oscillations of the host, but also incites genome-wide de novo oscillations in both intestine and liver, thereby impacting diurnal fluctuations of host physiology and disease susceptibility. As such, the rhythmic biogeography and metabolome of the intestinal microbiota regulates the temporal organization and functional outcome of host transcriptional and epigenetic programs.

Some patients infected with severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) develop severe pneumonia and acute respiratory distress syndrome1 (ARDS). Distinct clinical features in these patients have led to speculation that the immune response to virus in the SARS-CoV-2-infected alveolus differs from that in other types of pneumonia2. Here we investigate SARS-CoV-2 pathobiology by characterizing the immune response in the alveoli of patients infected with the virus. We collected bronchoalveolar lavage fluid samples from 88 patients with SARS-CoV-2-induced respiratory failure and 211 patients with known or suspected pneumonia from other pathogens, and analysed them using flow cytometry and bulk transcriptomic profiling. We performed single-cell RNA sequencing on 10 bronchoalveolar lavage fluid samples collected from patients with severe coronavirus disease 2019 (COVID-19) within 48 h of intubation. In the majority of patients with SARS-CoV-2 infection, the alveolar space was persistently enriched in T cells and monocytes. Bulk and single-cell transcriptomic profiling suggested that SARS-CoV-2 infects alveolar macrophages, which in turn respond by producing T cell chemoattractants. These T cells produce interferon-γ to induce inflammatory cytokine release from alveolar macrophages and further promote T cell activation. Collectively, our results suggest that SARS-CoV-2 causes a slowly unfolding, spatially limited alveolitis in which alveolar macrophages containing SARS-CoV-2 and T cells form a positive feedback loop that drives persistent alveolar inflammation. Analysis of bronchoalveolar lavage fluid samples from patients with SARS-CoV-2-induced respiratory failure suggests that SARS-CoV-2 infects alveolar macrophages to cause release of T cell chemoattractants, thereby inducing local inflammatory cytokine release and further T cell activation, ultimately resulting in a positive feedback loop that drives alveolar inflammation.

Innate lymphoid cells (ILCs) are critical modulators of mucosal immunity, inflammation, and tissue homeostasis, but their full spectrum of cellular states and regulatory landscapes remains elusive. Here, we combine genome-wide RNA-seq, ChIP-seq, and ATAC-seq to compare the transcriptional and epigenetic identity of small intestinal ILCs, identifying thousands of distinct gene profiles and regulatory elements. Single-cell RNA-seq and flow and mass cytometry analyses reveal compartmentalization of cytokine expression and metabolic activity within the three classical ILC subtypes and highlight transcriptional states beyond the current canonical classification. In addition, using antibiotic intervention and germ-free mice, we characterize the effect of the microbiome on the ILC regulatory landscape and determine the response of ILCs to microbial colonization at the single-cell level. Together, our work characterizes the spectrum of transcriptional identities of small intestinal ILCs and describes how ILCs differentially integrate signals from the microbial microenvironment to generate phenotypic and functional plasticity.

The human body contains thousands of unique cell types, each with specialized functions. Cell identity is governed in large part by gene transcription programs, which are determined by regulatory elements encoded in DNA. To identify regulatory elements active in seven cell lines representative of diverse human cell types, we used DNase-seq and FAIRE-seq (Formaldehyde Assisted Isolation of Regulatory Elements) to map "open chromatin." Over 870,000 DNaseI or FAIRE sites, which correspond tightly to nucleosome-depleted regions, were identified across the seven cell lines, covering nearly 9% of the genome. The combination of DNaseI and FAIRE is more effective than either assay alone in identifying likely regulatory elements, as judged by coincidence with transcription factor binding locations determined in the same cells. Open chromatin common to all seven cell types tended to be at or near transcription start sites and to be coincident with CTCF binding sites, while open chromatin sites found in only one cell type were typically located away from transcription start sites and contained DNA motifs recognized by regulators of cell-type identity. We show that open chromatin regions bound by CTCF are potent insulators. We identified clusters of open regulatory elements (COREs) that were physically near each other and whose appearance was coordinated among one or more cell types. Gene expression and RNA Pol II binding data support the hypothesis that COREs control gene activity required for the maintenance of cell-type identity. This publicly available atlas of regulatory elements may prove valuable in identifying noncoding DNA sequence variants that are causally linked to human disease.