Summary

 Tooth enamel secreted by ameloblasts (AMs) is the hardest material in the human body, acting as a shield to protect the teeth. However, the enamel is gradually damaged or partially lost in over 90% of adults and cannot be regenerated due to a lack of ameloblasts in erupted teeth. Here, we use single-cell combinatorial indexing RNA sequencing (sci-RNA-seq) to establish a spatiotemporal single-cell census for the developing human tooth and identify regulatory mechanisms controlling the differentiation process of human ameloblasts. We identify key signaling pathways involved between the support cells and ameloblasts during fetal development and recapitulate those findings in human ameloblast in vitro differentiation from induced pluripotent stem cells (iPSCs). We furthermore develop a disease model of amelogenesis imperfecta in a three-dimensional (3D) organoid system and show AM maturation to mineralized structure in vivo. These studies pave the way for future regenerative dentistry.

Human intestinal organoids (HIOs) generated from pluripotent stem cells provide extraordinary opportunities to explore development and disease. Here, we generate a single-cell transcriptome reference atlas from HIOs and from multiple developing human organs to quantify the specificity of HIO cell fate acquisition, and to explore alternative fates. We identify epithelium-mesenchyme interactions, transcriptional regulators involved in cell fate specification, and stem cell maturation features in the primary tissue that are recapitulated in HIOs. We use an HIO time course to reconstruct the molecular dynamics of intestinal stem cell emergence, as well as the specification of multiple mesenchyme subtypes. We find that the intestinal master regulator CDX2 correlates with distinct phases of epithelial and mesenchymal development, and CDX2 deletion perturbs the differentiation of both intestinal epithelium and mesenchyme. Collectively our data provides a comprehensive and quantitative assessment of HIO development, and illuminates the molecular machinery underlying endodermal and mesodermal cell fate specification.

Abstract Tooth enamel secreted by ameloblasts is the hardest material in the human body, acting as a shield protecting the teeth. However, the enamel is gradually damaged or partially lost in over 90% of adults and cannot be regenerated due to a lack of ameloblasts in erupted teeth. Here we use sci-RNA-seq to establish a spatiotemporal single-cell atlas for the developing human tooth and identify regulatory mechanisms controlling the differentiation process of human ameloblasts. We reveal key signaling pathways involved between the support cells and ameloblasts during fetal development and recapitulate those findings in a novel human ameloblast in vitro differentiation from iPSCs. We furthermore develop a mineralizing enamel organ-like 3D organoid system. These studies pave the way for future regenerative dentistry and therapies toward genetic diseases affecting enamel formation.

Summary Epithelial organoids derived from intestinal tissue, also referred to as mini-intestines or mini-guts, recapitulate many aspects of the organ in vitro and can be used for biological discovery, personalized medicine, and drug development. Murine intestinal organoids represent a homeostatic system that balances stem cell maintenance within a crypt-like compartment and differentiation within a villus-like compartment 1–3 . However, this homeostatic balance and spatial organization has not been achieved with human intestinal organoids 4 . Here, we leverage single cell RNA-seq data (scRNA-seq) and high-resolution imaging to interrogate the developing human intestinal stem cell niche. We identified an EGF-family member, EPIREGULIN (EREG), as uniquely expressed in the developing crypt, and found that EREG can take the place of EGF as an in vitro niche factor. Unlike EGF, which leads to growth of thin-walled cystic organoids, EREG-organoids are spatially resolved into budded and proliferative crypt domains and a differentiated villus-like central lumen. Transcriptomics and epigenomics showed that EREG-organoids are globally similar to the native intestine while EGF-organoids have an altered chromatin landscape, downregulate the master intestinal transcription factor CDX2 5,6 , and ectopically express stomach genes.

Abstract Trichromacy is unique to primates among mammals, enabled by blue (short/S), green (medium/M), and red (long/L) cones. In humans and Old World monkeys, cones make a poorly understood choice between M and L cone subtype fates. To determine mechanisms specifying M and L cones, we developed an approach to visualize expression of the highly similar M - and L - opsin mRNAs. M - opsin , but not L - opsin , was observed during early human eye development, suggesting that M cones are generated before L cones. In adult human tissue, the early-developing central retina contained a mix of M and L cones compared to the late-developing peripheral region, which contained a high proportion of L cones. Retinoic acid (RA)-synthesizing enzymes are highly expressed early in retinal development. High RA signaling early was sufficient to promote M cone fate and suppress L cone fate in retinal organoids. Across a human population sample, natural variation in the ratios of M and L cone subtypes was associated with a noncoding polymorphism in the NR2F2 gene, a mediator of RA signaling. Our data suggest that RA promotes M cone fate early in development to generate the pattern of M and L cones across the human retina.

ABSTRACT Brown adipocytes represent a specialized type of mammalian adipocytes able to uncouple nutrient catabolism from ATP generation to dissipate energy as heat. They play an important role in mammals, allowing non-shivering thermogenesis to regulate body temperature in response to cold exposure. In humans, the brown fat tissue is composed of small discrete depots found mostly throughout the neck and trunk region. Increasing brown fat activity either with drug treatment or cell therapy is considered a potential approach for the treatment of metabolic syndrome and obesity. The recent development of in vitro differentiation strategies relying on human pluripotent stem cells (hPSCs) offers the possibility to produce unlimited amounts of brown adipocytes. A strategy efficiently applied to several tissues is to recapitulate step by step the development of the tissue of interest by exposing hPSCs to the signaling cues used during normal embryonic development. However, this strategy has proven difficult to implement for brown fat as the development of this tissue is poorly understood. Here, we first used single cell RNA sequencing to characterize the development of interscapular brown fat in mouse. Our analysis identified a previously unrecognized population of brown adipocytes precursors characterized by expression of the transcription factor GATA6. We show that this precursor population can be efficiently generated from paraxial mesoderm precursors differentiated in vitro from hPSCs by modulating the signaling pathways identified in our transcriptomic analysis. These precursors can in turn be efficiently converted into functional brown adipocytes which can respond to adrenergic stimuli by increasing their metabolism resulting in heat production.

Abstract MerTK is a receptor tyrosine kinase that mediates the immunologically silent phagocytic uptake of diverse types of cellular debris. Highly expressed on the surface of microglial cell, MerTK is of importance in brain development, homeostasis, plasticity, and disease. Yet, involvement of this receptor in the clearance of protein aggregates that accumulate with aging and in neurodegenerative diseases has yet to be defined. The current study explored the function of MerTK in the microglial uptake of alpha-synuclein fibrils which play a causative role in the pathobiology of synucleinopathies. Using human primary and induced pluripotent stem cell-derived microglia, the MerTK- dependence of alpha-synuclein fibril internalization was investigated in vitro . Relevance of this pathway to synucleinopathies was assessed by analyzing MerTK expression in patient-derived cells and tissues. Pharmacological inhibition of MerTK and siRNA-mediated MERTK knockdown both caused a decreased rate of alpha-synuclein fibril internalization by human microglia. Consistent with the immunologically silent nature of MerTK-mediated phagocytosis, alpha-synuclein fibril internalization did not induce secretion of pro-inflammatory cytokines from microglia. In addition, burden analysis in two independent patient cohorts revealed a significant association between rare functionally deleterious MERTK variants and Parkinson’s disease in one of the cohorts ( p = 0.002). Accordingly, MERTK expression was significantly upregulated in nigral microglia from Parkinson’s disease/Lewy body dementia patients compared to those from non-neurological control donors in a single-nuclei RNA-sequencing dataset ( p = 5.08 × 10 - 21 ), and MerTK protein expression positively correlated with alpha-synuclein level in human cortex lysates ( p = 0.0029). Taken together, our findings define a novel role for MerTK in mediating the uptake of alpha-synuclein aggregates by human microglia, with possible involvement in limiting alpha-synuclein spread in synucleinopathies such as Parkinson’s disease.

SPTLC1 encodes a critical subunit of serine palmitoyltransferase, the enzyme catalyzing the first and rate-limiting step in de novo sphingolipid biosynthesis, and mutations in this gene are known to cause hereditary sensory autonomic neuropathy, type 1A . Using exome sequencing, we identified a de novo variant in SPTLC1 resulting in a p.Ala20Ser amino acid change in an individual diagnosed with juvenile-onset amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and confirmed its pathogenicity by showing elevated plasma levels of neurotoxic deoxymethyl-sphinganine. A second case of juvenile-onset ALS arising again from a p.Ala20Ser mutation was later identified, confirming the association of SPTLC1 with this form of motor neuron disease. We also found SPTLC1 mutations in 0.34% of 5,607 ALS cases, and immunohistochemically confirmed the expression of SPTLC1 in spinal cord motor neurons, supporting their role in the pathogenesis of this fatal neurological disease. We corrected the toxicity of deoxymethyl-sphinganine in HEK293FT cells using L-serine supplementation. Our data broaden the phenotype associated with SPTLC1 and suggest that nutritional supplementation with serine may be beneficial if instituted at an early stage among patients carrying mutations in SPTLC1 .

Transcript sequencing of patient derived samples has been shown to improve the diagnostic yield for solving cases of likely Mendelian disorders, yet the added benefit of full-length long-read transcript sequencing is largely unexplored.We applied short-read and full-length isoform cDNA sequencing and mitochondrial functional studies to a patient-derived fibroblast cell line from an individual with neuropathy that previously lacked a molecular diagnosis.We identified an intronic homozygous MFN2 c.600-31T>G variant that disrupts a branch point critical for intron 6 spicing. Full-length long-read isoform cDNA sequencing after treatment with a nonsense-mediated mRNA decay (NMD) inhibitor revealed that this variant creates five distinct altered splicing transcripts. All five altered splicing transcripts have disrupted open reading frames and are subject to NMD. Furthermore, a patient-derived fibroblast line demonstrated abnormal lipid droplet formation, consistent with MFN2 dysfunction. Although correctly spliced full-length MFN2 transcripts are still produced, this branch point variant results in deficient MFN2 protein levels and autosomal recessive Charcot-Marie-Tooth disease, axonal, type 2A (CMT2A).This case highlights the utility of full-length isoform sequencing for characterizing the molecular mechanism of undiagnosed rare diseases and expands our understanding of the genetic basis for CMT2A.