Improving the efficacy of immune checkpoint therapies will require a better understanding of how immune cells are recruited and sustained in tumors. Here, we used the photoconversion of the tumor immune cell compartment to identify newly entering lymphocytes, determine how they change over time, and investigate their egress from the tumor. Combining single-cell transcriptomics and flow cytometry, we found that while a diverse mix of CD8 T cell subsets enter the tumor, all CD8 T cells retained within this environment for more than 72 h developed an exhausted phenotype, revealing the rapid establishment of this program. Rather than forming tumor-resident populations, non-effector subsets, which express TCF-1 and include memory and stem-like cells, were continuously recruited into the tumor, but this recruitment was balanced by concurrent egress to the tumor-draining lymph node. Thus, the TCF-1+ CD8 T cell niche in tumors is highly dynamic, with the circulation of cells between the tumor and peripheral lymphoid tissue to bridge systemic and intratumoral responses.

Abstract The recent revolution in tissue-resident macrophage biology has resulted largely from murine studies performed in the C57BL/6 strain. Here, we provide a comprehensive analysis of immune cells in the pleural cavity using both C57BL/6 and BALB/c mice. Unlike C57BL/6 mice, naïve tissue-resident Large Cavity Macrophages (LCM) of BALB/c mice failed to fully implement the tissue residency program. Following infection with a pleural-dwelling nematode these pre-existing differences were accentuated with LCM expansion occurring in C57BL/6 but not BALB/c mice. While infection drove monocyte recruitment in both strains, only in C57BL/6 mice were monocytes able to efficiently integrate into the resident pool. Monocyte to macrophage conversion required both T cells and IL-4Rα signalling. Host genetics are therefore a key influence on tissue resident macrophage biology, and during nematode infection Th2 cells control the differentiation pathway of tissue resident macrophages. Graphical Abstract

SUMMARY Basement membranes (BMs) are complex macromolecular networks underlying all continuous layers of cells. Essential components include type IV collagen and laminins, which are affected by human genetic defects leading to a range of debilitating conditions including kidney, muscle, and cerebrovascular phenotypes. We investigated the dynamics of BM assembly in human pluripotent stem cell-derived kidney organoids. We resolved their global BM composition and discovered a conserved temporal sequence in BM assembly that paralleled mammalian fetal kidneys. We identified the emergence of key BM isoforms, which were altered by a pathogenic variant in COL4A5 . Integrating organoid, fetal and adult kidney proteomes we found dynamic regulation of BM composition through development to adulthood, and with single-cell transcriptomic analysis we mapped the cellular origins of BM components. Overall, we define the complex and dynamic nature of vertebrate BM assembly and provide a platform for understanding its wider relevance in human development and disease.

Abstract The outflow tract (OFT) of the heart carries blood away from the heart into the great arteries. During embryogenesis, the OFT divides to form the aorta and pulmonary trunk, creating the double circulation present in mammals. Defects in this area account for one-third of all congenital heart disease cases. Here, we present comprehensive transcriptomic data on the developing OFT at two distinct timepoints (embryonic and fetal) and its adult derivatives, the aortic valves, and use spatial transcriptomics to define the distribution of cell populations. We uncover that distinctive embryonic signatures persist in adult cells and can be used as labels to retrospectively attribute relationships between cells separated by a large time scale. Our findings define the cellular and molecular signatures of the OFT and its distinct cell lineages, which is critical for understanding congenital heart defects and developing cardiac tissue for regenerative medicine.

Motivation: The assay for transposase-accessible chromatin using sequencing (ATAC-seq) reveals the landscape and principles of DNA regulatory mechanisms by identifying the accessible genome of mammalian cells. When done at single-cell resolution, it provides an insight into the cell-to-cell variability that emerges from identical DNA sequences by identifying the variability in the genomic location of open chromatin sites in each of the cells. Processing of single-cell ATAC-seq requires a number of steps and a simple pipeline to processes and analyse single-cell ATAC-seq is not yet available. Results: This paper presents ScAsAT (single-cell ATAC-seq analysis tool), a complete pipeline to process scATAC-seq data with simple steps. The pipeline is developed in a Jupyter notebook environment that holds the executable code along with the necessary description and results. For the initial sequence processing steps, the pipeline uses a number of well-known tools which it executes from a python environment for each of the fastq files. While functions for the data analysis part are mostly written in R, it is robust, flexible, interactive and easy to extend. The pipeline was applied to a single-cell ATAC-seq dataset in order to identify different cell-types from a complex cell mixture. The results from Scasat showed that open chromatin location corresponding to potential regulatory elements can account for cellular heterogeneity and can identify regulatory regions that separates cells from a complex population. Availability: The jupyter notebook with the complete pipeline applied to the dataset published with this paper are publicly available on the Github (https://github.com/ManchesterBioinference/Scasat). An additional notebook is also provided for analysis of a publicly available dataset. The fastq files are submitted at ArrayExpress database at EMBL-EBI (www.ebi.ac.uk/arrayexpress) under accession number E-MTAB- 6116.

Mammals have limited tissue regeneration capabilities, particularly in the case of the central nervous system. Spinal cord injuries are often irreversible and lead to the loss of motor and sensory function below the site of the damage. In contrast, amphibians such as Xenopus tadpoles can regenerate a fully functional tail, including their spinal cord, following amputation. A hallmark of spinal cord regeneration is the re-activation of Sox2/3+ progenitor cells to promote regrowth of the spinal cord and the generation of new neurons. In axolotls, this increase in proliferation is tightly regulated as progenitors switch from a neurogenic to a proliferative division via the planar polarity pathway (PCP). How the balance between self-renewal and differentiation is controlled during regeneration is not well understood. Here, we took an unbiased approach to identify regulators of the cell cycle expressed specifically in X.tropicalis spinal cord after tail amputation by RNAseq. This led to the identification of Foxm1 as a potential key transcription factor for spinal cord regeneration. Foxm1-/- X. tropicalis tadpoles develop normally but cannot regenerate their spinal cords. Using single cell RNAseq and immunolabelling, we show that foxm1+ cells in the regenerating spinal cord undergo a transient but dramatic change in the relative length of the different phases of the cell cycle, suggesting a change in their ability to differentiate. Indeed, we show that Foxm1 does not regulate the rate of progenitor proliferation but is required for neuronal differentiation leading to successful spinal cord regeneration.

ABSTRACT In Barrett’s oesophagus (BO) the precursor of oesophageal adenocarcinoma, the adult stratified squamous epithelium is replaced by a simple columnar phenotype. This has been considered metaplasia; the inappropriate conversion from one adult cell-type to another. In fact, BO could be a reversal of mammalian embryogenesis when the early foregut is first lined by simple columnar epithelium. Exploring this hypothesis has been hampered by inadequate molecular details of human oesophageal development. Here, we adopted single cell transcriptomic and epigenomic approaches to discover and decode the cell types that constitute the initial primitive columnar, transitory and subsequently stratified lower oesophageal epithelium. Each stage is comprised of several previously undefined epithelial sub-populations. HNF4A, a major driver of the Barrett’s phenotype, is a prominent transcriptional regulator in the early foregut columnar cells, but not in the later ciliated or stratified cells, and is central to gene regulatory programmes known to be reactivated in BO. Moreover, GWAS susceptibility SNPs for BO mapped to putative regulatory regions in fetal epithelial cells, which are inaccessible in the corresponding adult epithelial cells. Collectively, these data argue that the path to BO involves de-differentiation to a primitive fetal-like state.

Embryonic stem cells (ESCs) are pluripotent in nature, meaning that they have the capacity to differentiate into any cell in the body. However, to do so they must transition through a series of intermediate cell states before becoming terminally differentiated. A lot is known about how ESCs maintain their pluripotent state but comparatively less about how they exit this state and begin the transition towards differentiated cells. Here we investigated the earliest events in this transition by determining the changes in the open chromatin landscape as naïve mouse ESCs transition to epiblast-like cells (EpiLCs). Motif enrichment analysis of the newly opening regions coupled with expression analysis identified ZIC3 as a potential regulator of this cell fate transition. Chromatin binding and genome-wide transcriptional profiling confirmed ZIC3 as an important regulatory transcription factor and among its targets are genes encoding a number of transcription factors. Among these is GRHL2 which acts through enhancer switching to maintain the expression of a subset of genes from the ESC state. Our data therefore place ZIC3 at the top of a cascade of transcriptional regulators and provide an important advance in our understanding of the regulatory factors governing the earliest steps in ESC differentiation.

Abstract CD146, also known as melanoma cell adhesion molecule (MCAM), is expressed in numerous cancers and has been implicated in the regulation of metastasis. We show that CD146 negatively regulates transendothelial migration (TEM) in breast cancer. This tumour suppressor-like activity is supported by a reduction in MCAM gene expression and increased promoter methylation in tumour tissue compared to normal breast tissue. However, increased CD146/MCAM expression is associated with poor prognosis in breast cancer, a characteristic that is difficult to reconcile with inhibition of TEM by CD146 and its epigenetic silencing. Single cell transcriptome data revealed MCAM expression in multiple cell types, including the tumour vasculature and malignant epithelial cells. MCAM expressing tumour cells were in the minority and expression was associated with epithelial to mesenchymal transition (EMT). Furthermore, gene expression signatures defining invasiveness and a stem cell-like phenotype were most strongly associated with mesenchymal-like tumour cells with low levels of MCAM mRNA, likely to represent an intermediate or hybrid E/M state. Our results show that high levels of MCAM gene expression are associated with poor prognosis in breast cancer because they reflect tumour vascularisation and EMT. However, the inhibitory effects of CD146 on TEM are likely to be weakest in an intermediate state between the epithelial and mesenchymal phenotypes, consistent with highly tumourigenic nature of this population.

SUMMARY During embryonic development, all blood progenitors are initially generated from endothelial cells that acquire a hemogenic potential. Blood progenitors emerge through an endothelial-to-hematopoietic transition regulated by the transcription factor RUNX1. To date, we still know very little about the molecular characteristics of hemogenic endothelium and the molecular changes underlying the transition from endothelium to hematopoiesis. Here, we analysed at the single cell level a human embryonic stem cell-derived endothelial population containing hemogenic potential. RUNX1-expressing endothelial cells, which harbour enriched hemogenic potential, show very little molecular differences to their endothelial counterpart suggesting priming toward hemogenic potential rather than commitment. Additionally, we identify CD82 as a marker of the endothelium-to-hematopoietic transition. CD82 expression is rapidly upregulated in newly specified blood progenitors then rapidly downregulated as further differentiation occurs. Together our data suggest that endothelial cells are first primed toward hematopoietic fate, then rapidly undergo the transition from endothelium to blood.