Abstract Single-cell RNA sequencing predominantly employs short-read sequencing to characterize cell types, states and dynamics; however, it is inadequate for comprehensive characterization of RNA isoforms. Long-read sequencing technologies enable single-cell RNA isoform detection but are hampered by lower throughput and unintended sequencing of artifacts. Here we developed Single-cell Targeted Isoform Long-Read Sequencing (scTaILoR-seq), a hybridization capture method which targets over a thousand genes of interest, improving the median number of unique transcripts per cell by 29-fold. We used scTaILoR-seq to identify and quantify RNA isoforms from ovarian cancer cell lines and primary tumors, yielding 10,796 single-cell transcriptomes. Using long-read variant calling we revealed associations of expressed single nucleotide variants (SNVs) with alternative transcript structures. In addition, phasing of SNVs across transcripts facilitated measurement of allelic imbalance within distinct cell populations. Overall, scTaILoR-seq is a long-read targeted RNA sequencing method and analytical framework for exploring transcriptional variation at single-cell resolution.

Abstract Animal regeneration requires coordinated responses of many cell types throughout the animal body. In animals carrying endosymbionts, cells from the other species may also participate in regeneration, but how cellular responses are integrated across species is yet to be unraveled. Here, we study the acoel Convolutriloba longifissura , which hosts symbiotic Tetraselmis green algae and can regenerate entire bodies from small tissue fragments. We show that animal injury leads to a decline in the photosynthetic efficiency of the symbiotic algae and concurrently induces upregulation of a cohort of photosynthesis-related genes. A deeply conserved animal transcription factor, runt , is induced after injury and required for the acoel regeneration. Knockdown of runt also dampens algal transcriptional responses to the host injury, particularly in photosynthesis related pathways, and results in further reduction of photosynthetic efficiency post-injury. Our results suggest that the runt- dependent animal regeneration program coordinates wound responses across the symbiotic partners and regulates photosynthetic carbon assimilation in this metaorganism.

Lung cancer, the leading cause of cancer mortality, exhibits heterogeneity that enables adaptability, limits therapeutic success, and remains incompletely understood. Single-cell RNA sequencing (scRNAseq) of metastatic lung cancer was performed using 44 tumor biopsies obtained longitudinally from 27 patients before and during targeted therapy. Over 20,000 cancer and tumor microenvironment (TME) single-cell profiles exposed a rich and dynamic tumor ecosystem. scRNAseq of cancer cells illuminated targetable oncogenes beyond those detected clinically. Cancer cells surviving therapy as residual disease (RD) expressed an alveolar-regenerative cell signature suggesting a therapy-induced primitive cell state transition, whereas those present at on-therapy progressive disease (PD) upregulated kynurenine, plasminogen, and gap junction pathways. Active T-lymphocytes and decreased macrophages were present at RD and immunosuppressive cell states characterized PD. Biological features revealed by scRNAseq were biomarkers of clinical outcomes in independent cohorts. This study highlights how therapy-induced adaptation of the multi-cellular ecosystem of metastatic cancer shapes clinical outcomes.

Transcription factors (TFs) are primary regulators of gene expression in cells, where they bind specific genomic target sites to control transcription. Quantitative measurements of TF-DNA binding energies can improve the accuracy of predictions of TF occupancy and downstream gene expression in vivo and further shed light on how transcriptional networks are rewired throughout evolution. Here, we present a novel sequencing-based TF binding assay and analysis pipeline capable of providing quantitative estimates of binding energies for more than one million DNA sequences in parallel at high energetic resolution. Using this platform, we measured the binding energies associated with all possible combinations of 10 nucleotides flanking the known consensus DNA target for two model yeast TFs, Pho4 and Cbf1. A large fraction of these flanking mutations change overall binding energies by an amount equal to or greater than consensus site mutations, suggesting that current definitions of TF binding sites may be too restrictive. By systematically comparing estimates of binding energies output by deep neural networks (NN) and biophysical models trained on these data, we establish that dinucleotide specificities are sufficient to explain essentially all variance in observed binding behavior, with Cbf1 binding exhibiting significantly more epistasis than Pho4. NN-derived binding energies agree with orthogonal biochemical measurements and reveal that dynamically occupied sites in vivo are both energetically and mutationally distant from the highest-affinity sites.

Summary/Abstract The neural crest (NC) is highly multipotent and generates diverse lineages in the developing embryo. However, spatiotemporally distinct NC populations display differences in fate potential, such as increased gliogenic and parasympathetic potential from later migrating, nerve-associated Schwann cell precursors (SCPs). Interestingly, while melanogenic potential is shared by both early migrating NC and SCPs, differences in melanocyte identity resulting from differentiation through these temporally distinct progenitors have not been determined. Here, we leverage a human pluripotent stem cell (hPSC) model of NC temporal patterning to comprehensively characterize human NC heterogeneity, fate bias, and lineage development. We captured the transition of NC differentiation between temporally and transcriptionally distinct melanogenic progenitors and identified modules of candidate transcription factor and signaling activity associated with this transition. For the first time, we established a protocol for the directed differentiation of melanocytes from hPSCs through a SCP intermediate, termed trajectory 2 (T2) melanocytes. Leveraging an existing protocol for differentiating early NC-derived melanocytes, termed trajectory 1 (T1), we performed the first comprehensive comparison of transcriptional and functional differences between these distinct melanocyte populations, revealing differences in pigmentation and unique expression of transcription factors, ligands, receptors and surface markers. We found a significant link between the T2 melanocyte transcriptional signature and decreased survival in melanoma patients in the cancer genome atlas (TCGA). We performed an in vivo CRISPRi screen of T1 and T2 melanocyte signature genes in a human melanoma cell line and discovered several T2-specific markers that promote lung metastasis in mice. We further demonstrated that one of these factors, SNRPB, regulates the splicing of transcripts involved in metastasis relevant functions such as migration, cell adhesion and proliferation. Overall, this study identifies distinct developmental trajectories as a source of diversity in melanocytes and implicates the unique molecular signature of SCP-derived melanocytes in metastatic melanoma.

ABSTRACT Common variants associated with schizophrenia are concentrated in non-coding regulatory sequences, but their precise target genes are context-dependent and impacted by cell-type-specific three-dimensional spatial chromatin organization. Here, we map long-range chromosomal conformations in isogenic human dopaminergic, GABAergic, and glutamatergic neurons to track developmentally programmed shifts in the regulatory activity of schizophrenia risk loci. Massive repressive compartmentalization, concomitant with the emergence of hundreds of neuron-specific multi-valent chromatin architectural stripes, occurs during neuronal differentiation, with genes interconnected to genetic risk loci through these long-range chromatin structures differing in their biological roles from genes more proximal to sequences conferring heritable risk. Chemically induced CRISPR-guided chromosomal loop-engineering for the proximal risk gene SNAP91 and distal risk gene BHLHE22 profoundly alters synaptic development and functional activity. Our findings highlight the large-scale cell-type-specific reorganization of chromosomal conformations at schizophrenia risk loci during neurodevelopment and establish a causal link between risk-associated gene-regulatory loop structures and neuronal function.

Abstract Repressive chromatin modifications are thought to compact chromatin to silence transcription. However, it is unclear how chromatin structure changes during silencing and epigenetic memory formation. We measured gene expression and chromatin structure in single cells after recruitment and release of repressors at a reporter gene. Chromatin structure is heterogeneous, with open and compact conformations present in both active and silent states. Recruitment of repressors associated with epigenetic memory produces chromatin compaction across 10-20 kilobases, while reversible silencing does not cause compaction at this scale. Chromatin compaction is inherited, but changes molecularly over time from histone methylation (H3K9me3) to DNA methylation. The level of compaction at the end of silencing quantitatively predicts epigenetic memory weeks later. Similarly, chromatin compaction at the Nanog locus predicts the degree of stem-cell fate commitment. These findings suggest that the chromatin state across tens of kilobases, beyond the gene itself, is important for epigenetic memory formation.

Accurate detection and quantification of mRNA isoforms from nanopore long-read sequencing remains challenged by technical noise, particularly in single cells. To address this, we introduce Isosceles, a computational toolkit that outperforms other methods in isoform detection sensitivity and quantification accuracy across single-cell, pseudo-bulk and bulk resolution levels, as demonstrated using synthetic and biologically-derived datasets. Isosceles improves the fidelity of single-cell transcriptome quantification at the isoform-level, and enables flexible downstream analysis. As a case study, we apply Isosceles, uncovering coordinated splicing within and between neuronal differentiation lineages. Isosceles is suitable to be applied in diverse biological systems, facilitating studies of cellular heterogeneity across biomedical research applications.

SUMMARY In humans, epidermal melanocytes are responsible for skin pigmentation, defense against ultraviolet radiation, and the deadliest common skin cancer, melanoma. While there is substantial overlap in melanocyte development pathways between different model organisms, species dependent differences are frequent and the conservation of these processes in human skin remains unresolved 1–3 . Thus, the biology of developing and adult human melanocytes remains largely uncharacterized. Here, we used a single-cell enrichment and RNA-sequencing pipeline to study human epidermal melanocytes derived directly from skin, capturing transcriptomes across different anatomic sites, developmental age, sexes, and multiple skin tones. Using donor-matched skin from distinct volar and non-volar anatomic locations, we uncovered subpopulations of melanocytes exhibiting site-specific enrichment that occurs during gestation and persists through adulthood. In addition, we identified human melanocyte differentiation transcriptional programs that are distinct from gene signatures generated from model systems. Finally, we use these programs to define patterns of dedifferentiation that are predictive of melanoma prognosis. Overall, the characterization of human melanocytes fresh from skin revealed new subpopulations, human-specific transcriptional programs, and valuable insights into melanoma dedifferentiation.

The conducting airway forms a protective mucosal barrier and is the primary target of airway disorders. To better understand how airway developmental programs are established to support air breathing and barrier functions, we constructed a single-cell atlas of the human and mouse developing trachea. In this study, we uncover hitherto unrecognized heterogeneity of cell states with distinct differentiation programs and immune features of the developing airway. In addition, we find ubiquitous expression of CFTR and ANO1/TMEM16A chloride channels in the embryonic airway epithelium. We show that genetic inactivation of TMEM16A leads to airway defects commonly seen in cystic fibrosis patients with deficient CFTR, alters the differentiation trajectory of airway basal progenitors, and results in mucus cell hyperplasia and aberrant epithelial antimicrobial expression. Together, our study illuminates conserved developmental features of the mammalian airway and implicates chloride homeostasis as a key player in regulating mucosal barrier formation and function relevant to early onset airway diseases.