Abstract Gene regulatory networks (GRNs), consisting of transcription factors and their target cis- regulatory sequences, control neurogenesis and cell fate specification in the developing central nervous system, but their organization is poorly characterized. In this study, we performed integrated single-cell RNA- and scATAC-seq analysis in both mouse and human retina to profile dynamic changes in gene expression, chromatin accessibility and transcription factor footprinting during retinal neurogenesis. We identified multiple interconnected, evolutionarily-conserved GRNs consisting of cell type-specific transcription factors that both activate expression of genes within their own network and often inhibit expression of genes in other networks. These GRNs control state transitions within primary retinal progenitors that underlie temporal patterning, regulate the transition from primary to neurogenic progenitors, and drive specification of each major retinal cell type. We confirmed the prediction of this analysis that the NFI transcription factors Nfia , Nfib , and Nfix selectively activate expression of genes that promote late-stage temporal identity in primary retinal progenitors. We also used GRNs to identify additional transcription factors that promote ( Insm1/2 ) and inhibit ( Tbx3 , Tcf7l1 / 2 ) rod photoreceptor specification in postnatal retina. This study provides an inventory of cis- and trans-acting factors that control retinal development, identifies transcription factors that control the temporal identity of retinal progenitors and cell fate specification, and will potentially guide cell-based therapies aimed at replacing retinal neurons lost due to disease.

SUMMARY Cis-regulatory elements (CREs) play a critical role in the development, maintenance, and disease-states of all human cell types. In the human retina, CREs have been implicated in a variety of inherited retinal disorders. To characterize cell-class-specific CREs in the human retina and elucidate their potential functions in development and disease, we performed single-nucleus (sn)ATAC-seq and snRNA-seq on the developing and adult human retina and on human retinal organoids. These analyses allowed us to identify cell-class-specific CREs, enriched transcription factor binding motifs, putative target genes, and to examine how these features change over development. By comparing DNA accessibility between the human retina and retinal organoids we found that CREs in organoids are highly correlated at the single-cell level, validating the use of organoids as a model for studying disease-associated CREs. As a proof of concept, we studied the function of a disease-associated CRE at 5q14.3 in organoids, identifying its principal target gene as the miR-9-2 primary transcript and demonstrating a dual role for this CRE in regulating neurogenesis and gene regulatory programs in mature glia. This study provides a rich resource for characterizing cell-class-specific CREs in the human retina and showcases retinal organoids as a model in which to study the function of retinal CREs that influence retinal development and disease. HIGHLIGHTS Single-cell map of cis-regulatory elements in developing and adult human retina. Correlation of single-cell DNA accessibility between human retina and retinal organoids. Association of disease risk loci with cell-class-specific accessibility. Modeling of enhancer function at the 5q14.3 retinal disease-risk locus.

Abstract Hypothalamic tanycytes, radial glial cells that share many features with neuronal progenitors, generate small numbers of neurons in the postnatal hypothalamus, but the identity of these neurons and the molecular mechanisms that control tanycyte-derived neurogenesis are unknown. In this study, we demonstrate that tanycyte-specific disruption of the NFI family of transcription factors ( Nfia/b/x ) robustly stimulates tanycyte proliferation and tanycyte-derived neurogenesis. Single-cell RNA- and ATAC-Seq analysis reveals that NFI factors repress Shh and Wnt signaling in tanycytes, and small molecule modulation of these pathways blocks proliferation and tanycyte-derived neurogenesis in Nfia/b/x -deficient mice. We show that Nfia/b/x -deficient tanycytes give rise to multiple mediobasal hypothalamic neuronal subtypes that can mature, integrate into hypothalamic synaptic circuitry, and selectively respond to changes in internal states. These findings identify molecular mechanisms that control tanycyte-derived neurogenesis, suggesting a new therapeutic approach to selectively remodel the hypothalamic neural circuitry that controls homeostatic physiological processes.

Many genes are known to regulate retinal regeneration following widespread tissue damage. Conversely, genes controlling regeneration following limited retinal cell loss, akin to disease conditions, are undefined. Combining a novel retinal ganglion cell (RGC) ablation-based glaucoma model, single cell omics, and rapid CRISPR/Cas9-based knockout methods to screen 100 genes, we identified 18 effectors of RGC regeneration kinetics. Surprisingly, 32 of 33 previously known/implicated regulators of retinal tissue regeneration were not required for RGC replacement; 7 knockouts accelerated regeneration, including sox2, olig2, and ascl1a . Mechanistic analyses revealed loss of ascl1a increased "fate bias", the propensity of progenitors to produce RGCs. These data demonstrate plasticity and context-specificity in how genes function to control regeneration, insights that could help to advance disease-tailored therapeutics for replacing lost retinal cells.We discovered eighteen genes that regulate the regeneration of retinal ganglion cells in zebrafish.

Abstract Although single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) and single-cell assay for transposase accessible chromatin using sequencing (scATAC-seq) have been widely used, few methods can reliably integrate these data to perform regulatory network analysis. Here, we developed IReNA (Integrated Regulatory Network Analysis) for network inference through integrated analysis of scRNA-seq and scATAC-seq data, network modularization, transcription factor enrichment, and construction of simplified intermodular regulatory networks. Using public datasets, we showed that integrated network analysis of scRNA-seq and scATAC-seq data using IReNA outperformed currently available methods in identifying known regulators. IReNA facilitates the systems-level understanding of biological regulatory mechanisms, and is available at https://github.com/jiang-junyao/IReNA .

Many genes are known to regulate retinal regeneration after widespread tissue damage. Conversely, genes controlling regeneration after limited cell loss, as per degenerative diseases, are undefined. As stem/progenitor cell responses scale to injury levels, understanding how the extent and specificity of cell loss impact regenerative processes is important. Here, transgenic zebrafish enabling selective retinal ganglion cell (RGC) ablation were used to identify genes that regulate RGC regeneration. A single cell multiomics-informed screen of 100 genes identified seven knockouts that inhibited and 11 that promoted RGC regeneration. Surprisingly, 35 out of 36 genes known and/or implicated as being required for regeneration after widespread retinal damage were not required for RGC regeneration. The loss of seven even enhanced regeneration kinetics, including the proneural factors neurog1, olig2 and ascl1a. Mechanistic analyses revealed that ascl1a disruption increased the propensity of progenitor cells to produce RGCs, i.e. increased 'fate bias'. These data demonstrate plasticity in the mechanism through which Müller glia convert to a stem-like state and context specificity in how genes function during regeneration. Increased understanding of how the regeneration of disease-relevant cell types is specifically controlled will support the development of disease-tailored regenerative therapeutics.

SUMMARY Following acute retinal damage, zebrafish possess the ability to regenerate all neuronal subtypes. This regeneration requires Müller glia (MG) to reprogram and divide asymmetrically to produce a multipotent Müller glia-derived neuronal progenitor cell (MGPC). This raises three key questions. First, does loss of different retinal cell subtypes induce unique MG regeneration responses? Second, do MG reprogram to a developmental retinal progenitor cell state? And finally, to what extent does regeneration recapitulate retinal development? We examined these questions by performing single-nuclear and single-cell RNA-Seq and ATAC-Seq in both developing and regenerating retinas. While MG reprogram to a state similar to late-stage retinal progenitors in developing retinas, there are transcriptional differences between reprogrammed MG/MGPCs and late progenitors, as well as reprogrammed MG in outer and inner retinal damage models. Validation of candidate genes confirmed that loss of different subtypes induces differences in transcription factor gene expression and regeneration outcomes. This work identifies major differences between gene regulatory networks activated following the selective loss of different subtypes of retina neurons, as well as between retinal regeneration and development.

ABSTRACT Genome-wide gene expression profiling, and single-cell RNA-seq in particular, allows the predictions of molecular mechanisms regulating cell-cell communication based on the expression of known ligand-receptor pairs. Currently available techniques for predicting ligand-receptor interactions are one-directional from sender to receiver cells. Here we describe LRLoop, a new method for analyzing cell-cell communication that is based on bi-directional ligand-receptor interactions, where two pairs of ligand-receptor interactions are identified that are responsive to each other, and thereby form a closed feedback loop. We assessed LRLoop using both bulk and single-cell datasets and found our method significantly reduces the false positive rate seen with existing methods. Finally, we applied LRLoop to the single-cell datasets obtained from retinal development and discovered many new bi-directional ligand-receptor interactions among individual cell types that potentially control proliferation, neurogenesis and/or cell fate specification.