Abstract Summary HTSeq 2.0 provides a more extensive application programming interface including a new representation for sparse genomic data, enhancements for htseq-count to suit single-cell omics, a new script for data using cell and molecular barcodes, improved documentation, testing and deployment, bug fixes and Python 3 support. Availability and implementation HTSeq 2.0 is released as an open-source software under the GNU General Public License and is available from the Python Package Index at https://pypi.python.org/pypi/HTSeq. The source code is available on Github at https://github.com/htseq/htseq. Supplementary information Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Many microbial populations rapidly adapt to changing environments with multiple variants competing for survival. To quantify such complex evolutionary dynamics in vivo, time resolved and genome wide data including rare variants are essential. We performed whole-genome deep sequencing of HIV-1 populations in 9 untreated patients, with 6-12 longitudinal samples per patient spanning 5-8 years of infection. We show that patterns of minor diversity are reproducible between patients and mirror global HIV-1 diversity, suggesting a universal landscape of fitness costs that control diversity. Reversions towards the ancestral HIV-1 sequence are observed throughout infection and account for almost one third of all sequence changes. Reversion rates depend strongly on conservation. Frequent recombination limits linkage disequilibrium to about 100bp in most of the genome, but strong hitch-hiking due to short range linkage limits diversity.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

Abstract Lung mesenchymal cells play an essential role in development and at birth, as the lung moves from a fluid-filled to an oxygen-rich environment with a stable gas-liquid interface. The molecular details and cellular changes accompanying this highly coordinated process remain incompletely understood. Therefore, we performed single cell transcriptomics and in-situ imaging of the developing lung in both health and disease to characterize the spectrum of mesenchymal cell states prior to the onset of air-breathing life through late alveolarization to gain insight into their role in orchestrating tissue maturation. We found that cell type diversity in the mesenchymal compartment increases rapidly during normal development but is delayed during neonatal exposure to 80% O 2 hyperoxia, a model for bronchopulmonary dysplasia. This study identifies the molecular transitions between populations of mesenchymal cells at discrete developmental time points across fibroblast, smooth muscle, and mural compartments and elucidates the global and cell type-specific effects of neonatal hyperoxia, including the emergence of Acta1 + cells which are absent in normoxic neonatal lungs. These granular insights hold the promise of targeted treatment for neonatal lung disease, which remains a major cause of infant morbidity and mortality across the world.

Summary At birth, the lung is still immature, heightening susceptibility to injury but enhancing regenerative capacity. Angiogenesis drives postnatal lung development. Therefore, we profiled the transcriptional ontogeny and sensitivity to injury of pulmonary endothelial cells (EC) during early postnatal life. Although subtype speciation was evident at birth, immature lung EC exhibited transcriptomes distinct from mature counterparts, which progressed dynamically over time. Gradual, temporal changes in aerocyte capillary EC (CAP2), contrasted with more marked alterations in general capillary EC (CAP1) phenotype, including distinct CAP1 present only in the early alveolar lung expressing Peg3 , a paternally imprinted transcription factor. Hyperoxia, an injury which impairs angiogenesis, induced both common and unique endothelial gene signatures, dysregulated capillary EC cross-talk, and suppressed CAP1 proliferation while stimulating venous EC proliferation. These data highlight the diversity, transcriptomic evolution, and pleiotropic responses to injury of immature lung EC, possessing broad implications for lung development and injury across the lifespan.

Mutation rates and fitness costs of deleterious mutations are difficult to measure in vivo but essential for a quantitative understanding of evolution. Using whole genome deep sequencing data from longitudinal samples during untreated HIV-1 infection, we estimated mutation rates and fitness costs in HIV-1 from the temporal dynamics of genetic variation. At approximately neutral sites, mutations accumulate with a rate of 1.2 x 10 -5 per site per day, in agreement with the rate measured in cell cultures. The rate from G to A is largest, followed by the other transitions C to T, T to C, and A to G, while transversions are more rare. At non-neutral sites, most mutations reduce virus replication; using a model of mutation selection balance, we estimated the fitness cost of mutations at every site in the HIV-1 genome. About half of all nonsynonymous mutations have large fitness costs (greater than 10%), while most synonymous mutations have costs below 1%. The cost of synonymous mutations is especially low in most of gag and pol, while much higher costs are observed in important RNA structures and regulatory regions. The intrapatient fitness cost estimates are consistent across multiple patients, suggesting that the deleterious part of the fitness landscape is universal and explains a large fraction of global HIV-1 group M diversity.

Abstract Single cell transcriptomics is revolutionising our understanding of tissue and disease heterogeneity, yet cell type identificationl remains a partially manual task. Published algorithms for automatic cell annotation are limited to known cell types and fail to capture novel populations, especially cancer cells. We developed northstar, a computational approach to classify thousands of cells based on published data within seconds while simultaneously identifying and highlighting new cell states such as malignancies. We tested northstar on human glioblastoma and melanoma and obtained high accuracy and robustness. We collected eleven pancreatic tumors and identified three shared and five private neoplastic cell populations, offering insight into the origins of neuroendocrine and exocrine tumors. northstar is a useful tool to assign known and novel cell type and states in the age of cell atlases.

Abstract Eliciting broadly neutralizing antibodies (bNAbs) against the four dengue virus serotypes (DENV1-4) that are spreading into new territories is an important goal of vaccine design. To delineate bNAb targets, we characterized 28 monoclonal antibodies belonging to expanded and hypermutated clonal families identified by transcriptomic analysis of single plasmablasts from DENV-infected individuals. Among these, we identified two somatically related bNAbs that potently neutralized DENV1-4. Mutagenesis studies revealed that the major recognition determinants of these bNAbs are in E protein domain I, distinct from the only known class of human bNAbs against flaviviruses with a well-defined epitope. B cell repertoire analysis from acute-phase peripheral blood suggested a memory origin and divergent somatic hypermutation pathways for these bNAbs, and a limited number of mutations was sufficient for neutralizing activity. Our study suggests multiple B cell evolutionary pathways leading to DENV bNAbs targeting a novel epitope that can be exploited for vaccine design.

Abstract Severe dengue (SD) is a major cause of morbidity and mortality impacting approximately 5 million of the 400 million people infected with dengue virus (DENV) annually. To define DENV target cells and immunological hallmarks of SD progression in children’s blood, we integrated virus-inclusive single cell RNA-Seq 2 (viscRNA-Seq 2) with functional assays. Beyond myeloid cells, in natural infection, B cells harbor replicating DENV capable of infecting permissive cells. Alterations in cell type abundance, gene and protein expression and secretion, and cell-cell communications point towards increased migration and inflammation in SD progressors (SDp). Concurrently, antigen presenting cells from SDp demonstrate intact uptake, yet impaired interferon responses and antigen presentation, in part DENV-modulated. Increased activation, regulation, and exhaustion of effector responses and expansion of HLA-DR-expressing, possibly compensatory, adaptive-like NK cells also characterize SDp. These findings reveal DENV target cells in the human blood and provide insight into SD pathogenesis beyond antibody-mediated enhancement.