AH
Alex Hewitt
Author with expertise in Molecular Mechanisms of Retinal Degeneration and Regeneration
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
53
(64% Open Access)
Cited by:
3,723
h-index:
78
/
i10-index:
320
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Large-scale cis- and trans-eQTL analyses identify thousands of genetic loci and polygenic scores that regulate blood gene expression

Urmo Võsa et al.Sep 1, 2021
Trait-associated genetic variants affect complex phenotypes primarily via regulatory mechanisms on the transcriptome. To investigate the genetics of gene expression, we performed cis- and trans-expression quantitative trait locus (eQTL) analyses using blood-derived expression from 31,684 individuals through the eQTLGen Consortium. We detected cis-eQTL for 88% of genes, and these were replicable in numerous tissues. Distal trans-eQTL (detected for 37% of 10,317 trait-associated variants tested) showed lower replication rates, partially due to low replication power and confounding by cell type composition. However, replication analyses in single-cell RNA-seq data prioritized intracellular trans-eQTL. Trans-eQTL exerted their effects via several mechanisms, primarily through regulation by transcription factors. Expression of 13% of the genes correlated with polygenic scores for 1,263 phenotypes, pinpointing potential drivers for those traits. In summary, this work represents a large eQTL resource, and its results serve as a starting point for in-depth interpretation of complex phenotypes. Analyses of expression profiles from whole blood of 31,684 individuals identify cis-expression quantitative trait loci (eQTL) effects for 88% of genes and trans-eQTL effects for 37% of trait-associated variants.
0
Citation851
0
Save
0

Genome-Wide Association Study of Retinopathy in Individuals without Diabetes

Richard Bergman et al.Feb 5, 2013
Background Mild retinopathy (microaneurysms or dot-blot hemorrhages) is observed in persons without diabetes or hypertension and may reflect microvascular disease in other organs. We conducted a genome-wide association study (GWAS) of mild retinopathy in persons without diabetes. Methods A working group agreed on phenotype harmonization, covariate selection and analytic plans for within-cohort GWAS. An inverse-variance weighted fixed effects meta-analysis was performed with GWAS results from six cohorts of 19,411 Caucasians. The primary analysis included individuals without diabetes and secondary analyses were stratified by hypertension status. We also singled out the results from single nucleotide polymorphisms (SNPs) previously shown to be associated with diabetes and hypertension, the two most common causes of retinopathy. Results No SNPs reached genome-wide significance in the primary analysis or the secondary analysis of participants with hypertension. SNP, rs12155400, in the histone deacetylase 9 gene (HDAC9) on chromosome 7, was associated with retinopathy in analysis of participants without hypertension, −1.3±0.23 (beta ± standard error), p = 6.6×10−9. Evidence suggests this was a false positive finding. The minor allele frequency was low (∼2%), the quality of the imputation was moderate (r2 ∼0.7), and no other common variants in the HDAC9 gene were associated with the outcome. SNPs found to be associated with diabetes and hypertension in other GWAS were not associated with retinopathy in persons without diabetes or in subgroups with or without hypertension. Conclusions This GWAS of retinopathy in individuals without diabetes showed little evidence of genetic associations. Further studies are needed to identify genes associated with these signs in order to help unravel novel pathways and determinants of microvascular diseases.
0
Citation764
0
Save
0

Genetic influences on handedness: Data from 25,732 Australian and Dutch twin families

Sarah Medland et al.Sep 10, 2008
Handedness refers to a consistent asymmetry in skill or preferential use between the hands and is related to lateralization within the brain of other functions such as language. Previous twin studies of handedness have yielded inconsistent results resulting from a general lack of statistical power to find significant effects. Here we present analyses from a large international collaborative study of handedness (assessed by writing/drawing or self report) in Australian and Dutch twins and their siblings (54,270 individuals from 25,732 families). Maximum likelihood analyses incorporating the effects of known covariates (sex, year of birth and birth weight) revealed no evidence of hormonal transfer, mirror imaging or twin specific effects. There were also no differences in prevalence between zygosity groups or between twins and their singleton siblings. Consistent with previous meta-analyses, additive genetic effects accounted for about a quarter (23.64%) of the variance (95%CI 20.17, 27.09%) with the remainder accounted for by non-shared environmental influences. The implications of these findings for handedness both as a primary phenotype and as a covariate in linkage and association analyses are discussed.
0
Citation289
0
Save
0

Deep sequencing of uveal melanoma identifies a recurrent mutation in PLCB4

Peter Johansson et al.Dec 14, 2015
// Peter Johansson 1 , Lauren G. Aoude 1 , Karin Wadt 2 , William J. Glasson 3 , Sunil K. Warrier 3 , Alex W. Hewitt 4, 5 , Jens Folke Kiilgaard 6 , Steffen Heegaard 6, 7 , Tim Isaacs 5 , Maria Franchina 5 , Christian Ingvar 8 , Tersia Vermeulen 9 , Kevin J. Whitehead 10 , Christopher W. Schmidt 1 , Jane M. Palmer 1 , Judith Symmons 1 , Anne-Marie Gerdes 2 , Göran Jönsson 8 , Nicholas K. Hayward 1 1 QIMR Berghofer Medical Research Institute, Brisbane, QLD, Australia 2 Department of Clinical Genetics, Rigshospitalet, Copenhagen, Denmark 3 The Terrace Eye Centre, Brisbane, QLD, Australia 4 Menzies Institute for Medical Research, University of Tasmania, Hobart, TAS, Australia 5 Lions Eye Institute, University of Western Australia, Perth, WA, Australia 6 Department of Ophthalmology, Rigshospitalet-Glostrup Hospital, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark 7 Department of Pathology, Rigshospitalet, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark 8 Department of Clinical Sciences, Lund University, Lund, Sweden 9 The Royal Perth Hospital, Perth, WA, Australia 10 Sullivan Nicolaides Pathology, Brisbane, QLD, Australia Correspondence to: Peter Johansson, e-mail: Peter.Johansson@qimrberghofer.edu.au Keywords: uveal melanoma, recurrent mutation, PLCB4, copy number variation, structural variants Received: September 14, 2015 Accepted: November 26, 2015 Published: December 14, 2015 ABSTRACT Next generation sequencing of uveal melanoma (UM) samples has identified a number of recurrent oncogenic or loss-of-function mutations in key driver genes including: GNAQ , GNA11 , EIF1AX , SF3B1 and BAP1 . To search for additional driver mutations in this tumor type we carried out whole-genome or whole-exome sequencing of 28 tumors or primary cell lines. These samples have a low mutation burden, with a mean of 10.6 protein changing mutations per sample (range 0 to 53). As expected for these sun-shielded melanomas the mutation spectrum was not consistent with an ultraviolet radiation signature, instead, a BRCA mutation signature predominated. In addition to mutations in the known UM driver genes, we found a recurrent mutation in PLCB4 (c.G1888T, p.D630Y, NM_000933), which was validated using Sanger sequencing. The identical mutation was also found in published UM sequence data (1 of 56 tumors), supporting its role as a novel driver mutation in UM. PLCB4 p.D630Y mutations are mutually exclusive with mutations in GNA11 and GNAQ , consistent with PLCB4 being the canonical downstream target of the former gene products. Taken together these data suggest that the PLCB4 hotspot mutation is similarly a gain-of-function mutation leading to activation of the same signaling pathway, promoting UM tumorigenesis.
0
Citation256
0
Save
0

Multitrait analysis of glaucoma identifies new risk loci and enables polygenic prediction of disease susceptibility and progression

Jamie Craig et al.Jan 20, 2020
Glaucoma, a disease characterized by progressive optic nerve degeneration, can be prevented through timely diagnosis and treatment. We characterize optic nerve photographs of 67,040 UK Biobank participants and use a multitrait genetic model to identify risk loci for glaucoma. A glaucoma polygenic risk score (PRS) enables effective risk stratification in unselected glaucoma cases and modifies penetrance of the MYOC variant encoding p.Gln368Ter, the most common glaucoma-associated myocilin variant. In the unselected glaucoma population, individuals in the top PRS decile reach an absolute risk for glaucoma 10 years earlier than the bottom decile and are at 15-fold increased risk of developing advanced glaucoma (top 10% versus remaining 90%, odds ratio = 4.20). The PRS predicts glaucoma progression in prospectively monitored, early manifest glaucoma cases (P = 0.004) and surgical intervention in advanced disease (P = 3.6 × 10−6). This glaucoma PRS will facilitate the development of a personalized approach for earlier treatment of high-risk individuals, with less intensive monitoring and treatment being possible for lower-risk groups. Multitrait genome-wide analysis of glaucoma and related phenotypes identifies new risk loci and enables development of a polygenic risk score to predict disease susceptibility and key clinical outcomes.
0
Citation239
0
Save
0

A single‐cell transcriptome atlas of the adult human retina

Samuel Lukowski et al.Aug 22, 2019
Resource22 August 2019free access Transparent process A single-cell transcriptome atlas of the adult human retina Samuel W Lukowski orcid.org/0000-0002-8598-7902 Institute for Molecular Bioscience, University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia Search for more papers by this author Camden Y Lo Monash University, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Alexei A Sharov National Institute for Aging, National Institutes of Health, Baltimore, MD, USA Search for more papers by this author Quan Nguyen orcid.org/0000-0001-7870-5703 Institute for Molecular Bioscience, University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia Search for more papers by this author Lyujie Fang orcid.org/0000-0002-2286-0023 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Jinan University, Guangzhou, China Search for more papers by this author Sandy SC Hung Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Ling Zhu orcid.org/0000-0003-0776-1630 The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Ting Zhang orcid.org/0000-0001-8074-8999 The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Ulrike Grünert The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Tu Nguyen orcid.org/0000-0002-6165-1822 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Anne Senabouth Garvan-Weizmann Centre for Cellular Genomics, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Jafar S Jabbari Australian Genome Research Facility, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Emily Welby Stem Cells and Regenerative Medicine Section, NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre, UCL Great Ormond Street Institute of Child Health, London, UK Search for more papers by this author Jane C Sowden Stem Cells and Regenerative Medicine Section, NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre, UCL Great Ormond Street Institute of Child Health, London, UK Search for more papers by this author Hayley S Waugh Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Adrienne Mackey Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Graeme Pollock Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Trevor D Lamb John Curtin School of Medical Research, The Australian National University, Canberra, ACT, Australia Search for more papers by this author Peng-Yuan Wang Department of Chemistry and Biotechnology, Swinburne University of Technology, Melbourne, Vic., Australia Center for Human Tissues and Organs Degeneration, Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Science, Shenzhen, China Search for more papers by this author Alex W Hewitt Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Menzies Institute for Medical Research, University of Tasmania, Hobart, Tas., Australia Search for more papers by this author Mark C Gillies The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Joseph E Powell orcid.org/0000-0001-9031-6356 Garvan-Weizmann Centre for Cellular Genomics, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, NSW, Australia UNSW Cellular Genomics Futures Institute, University of New South Wales, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Raymond CB Wong Corresponding Author [email protected] orcid.org/0000-0002-8092-9455 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Shenzhen Eye Hospital, Shenzhen University School of Medicine, Shenzhen, China Search for more papers by this author Samuel W Lukowski orcid.org/0000-0002-8598-7902 Institute for Molecular Bioscience, University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia Search for more papers by this author Camden Y Lo Monash University, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Alexei A Sharov National Institute for Aging, National Institutes of Health, Baltimore, MD, USA Search for more papers by this author Quan Nguyen orcid.org/0000-0001-7870-5703 Institute for Molecular Bioscience, University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia Search for more papers by this author Lyujie Fang orcid.org/0000-0002-2286-0023 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Jinan University, Guangzhou, China Search for more papers by this author Sandy SC Hung Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Ling Zhu orcid.org/0000-0003-0776-1630 The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Ting Zhang orcid.org/0000-0001-8074-8999 The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Ulrike Grünert The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Tu Nguyen orcid.org/0000-0002-6165-1822 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Anne Senabouth Garvan-Weizmann Centre for Cellular Genomics, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Jafar S Jabbari Australian Genome Research Facility, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Emily Welby Stem Cells and Regenerative Medicine Section, NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre, UCL Great Ormond Street Institute of Child Health, London, UK Search for more papers by this author Jane C Sowden Stem Cells and Regenerative Medicine Section, NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre, UCL Great Ormond Street Institute of Child Health, London, UK Search for more papers by this author Hayley S Waugh Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Adrienne Mackey Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Graeme Pollock Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia Search for more papers by this author Trevor D Lamb John Curtin School of Medical Research, The Australian National University, Canberra, ACT, Australia Search for more papers by this author Peng-Yuan Wang Department of Chemistry and Biotechnology, Swinburne University of Technology, Melbourne, Vic., Australia Center for Human Tissues and Organs Degeneration, Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Science, Shenzhen, China Search for more papers by this author Alex W Hewitt Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Menzies Institute for Medical Research, University of Tasmania, Hobart, Tas., Australia Search for more papers by this author Mark C Gillies The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Joseph E Powell orcid.org/0000-0001-9031-6356 Garvan-Weizmann Centre for Cellular Genomics, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, NSW, Australia UNSW Cellular Genomics Futures Institute, University of New South Wales, Sydney, NSW, Australia Search for more papers by this author Raymond CB Wong Corresponding Author [email protected] orcid.org/0000-0002-8092-9455 Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia Shenzhen Eye Hospital, Shenzhen University School of Medicine, Shenzhen, China Search for more papers by this author Author Information Samuel W Lukowski1,‡, Camden Y Lo2,‡, Alexei A Sharov3, Quan Nguyen1, Lyujie Fang4,5,6, Sandy SC Hung4,5, Ling Zhu7, Ting Zhang7, Ulrike Grünert7, Tu Nguyen4,5, Anne Senabouth8, Jafar S Jabbari9, Emily Welby10, Jane C Sowden10, Hayley S Waugh11, Adrienne Mackey11, Graeme Pollock11, Trevor D Lamb12, Peng-Yuan Wang13,14, Alex W Hewitt4,5,15, Mark C Gillies7, Joseph E Powell8,16,‡ and Raymond CB Wong *,4,5,17,‡ 1Institute for Molecular Bioscience, University of Queensland, Brisbane, Qld, Australia 2Monash University, Melbourne, Vic., Australia 3National Institute for Aging, National Institutes of Health, Baltimore, MD, USA 4Centre for Eye Research Australia, Melbourne, Vic., Australia 5Ophthalmology, Department of Surgery, University of Melbourne, Melbourne, Vic., Australia 6Jinan University, Guangzhou, China 7The University of Sydney, Faculty of Medicine, Save Sight Institute, Sydney, NSW, Australia 8Garvan-Weizmann Centre for Cellular Genomics, Garvan Institute of Medical Research, Sydney, NSW, Australia 9Australian Genome Research Facility, Melbourne, Vic., Australia 10Stem Cells and Regenerative Medicine Section, NIHR Great Ormond Street Hospital Biomedical Research Centre, UCL Great Ormond Street Institute of Child Health, London, UK 11Lions Eye Donation Services, Melbourne, Vic., Australia 12John Curtin School of Medical Research, The Australian National University, Canberra, ACT, Australia 13Department of Chemistry and Biotechnology, Swinburne University of Technology, Melbourne, Vic., Australia 14Center for Human Tissues and Organs Degeneration, Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institute of Advanced Technology, Chinese Academy of Science, Shenzhen, China 15Menzies Institute for Medical Research, University of Tasmania, Hobart, Tas., Australia 16UNSW Cellular Genomics Futures Institute, University of New South Wales, Sydney, NSW, Australia 17Shenzhen Eye Hospital, Shenzhen University School of Medicine, Shenzhen, China ‡These authors contributed equally to this work as first authors ‡These authors contributed equally to this work as senior authors *Corresponding author. Tel: +613 85321962; E-mail: [email protected] EMBO J (2019)38:e100811https://doi.org/10.15252/embj.2018100811 PDFDownload PDF of article text and main figures. Peer ReviewDownload a summary of the editorial decision process including editorial decision letters, reviewer comments and author responses to feedback. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Abstract The retina is a specialized neural tissue that senses light and initiates image processing. Although the functional organization of specific retina cells has been well studied, the molecular profile of many cell types remains unclear in humans. To comprehensively profile the human retina, we performed single-cell RNA sequencing on 20,009 cells from three donors and compiled a reference transcriptome atlas. Using unsupervised clustering analysis, we identified 18 transcriptionally distinct cell populations representing all known neural retinal cells: rod photoreceptors, cone photoreceptors, Müller glia, bipolar cells, amacrine cells, retinal ganglion cells, horizontal cells, astrocytes, and microglia. Our data captured molecular profiles for healthy and putative early degenerating rod photoreceptors, and revealed the loss of MALAT1 expression with longer post-mortem time, which potentially suggested a novel role of MALAT1 in rod photoreceptor degeneration. We have demonstrated the use of this retina transcriptome atlas to benchmark pluripotent stem cell-derived cone photoreceptors and an adult Müller glia cell line. This work provides an important reference with unprecedented insights into the transcriptional landscape of human retinal cells, which is fundamental to understanding retinal biology and disease. Synopsis The transcriptome of human neural retina at a single-cell level defines the gene expression profile in major cell types in the neural retina and can be used as a benchmark to assess the quality of stem cell-derived cells or primary retinal cells. The presented transcriptome atlas of human neural retina comprises single-cell RNA-sequencing data from 20,009 human retinal cells. Unsupervised cell clustering analysis allows identification of 18 transcriptionally distinct cell populations that represent all known neural retinal cell types. Reduced expression of the long non-coding RNA MALAT1 correlates with longer post-mortem time in putative early degenerating rod photoreceptors. The retina transcriptome atlas can be used to benchmark pluripotent stem cell-derived cone photoreceptors and an adult Müller glia cell line. Introduction The eye is a highly specialized sensory organ in the human body. Sight is initiated by the conversion of light into an electrical signal in the photoreceptors of the neurosensory retina. The rod photoreceptors are responsible for light detection at extremely low luminance, while the cone photoreceptors are responsible for color detection and operate at moderate and higher levels. Following preprocessing, by horizontal, bipolar, and amacrine cells, the resultant signal is transferred via ganglion cells to the brain. Neurotransmitter support is provided by Müller glia, retinal astrocytes, and microglial cells. Inherited retinal diseases are becoming the leading cause of blindness in working-age adults, with loci in over 200 genes associated with retinal diseases (RetNet: https://sph.uth.edu/retnet/), often involving specific retinal cell types. Knowledge of the transcriptome profile of individual retinal cell types in humans is important to understand the cellular diversity in the retina, as well as the study of retinal genes that contribute to disease in individual retinal cell types (Hornan et al, 2007; Farkas et al, 2013; Whitmore et al, 2014; Mustafi et al, 2016; Pinelli et al, 2016). The transcriptome profiles of whole human retina from adults (Hornan et al, 2007; Farkas et al, 2013; Whitmore et al, 2014; Mustafi et al, 2016; Pinelli et al, 2016) and during fetal development (Kozulin et al, 2009; Hoshino et al, 2017) have been previously described. However, these studies only assayed the averaged transcriptional signatures across all cell types, meaning that information on the cellular heterogeneity in the retina is lost. As such, the transcriptional pathways that underlie the highly specialized function of many human retinal cell types remain unclear, including the rod and cone photoreceptors, Müller glial cells, horizontal cells, and amacrine cells. Recent advances in RNA sequencing and microfluidic platforms have dramatically improved the accessibility of single-cell transcriptomics, with increased throughput at a lower cost. Critically, single-cell microfluidics and low-abundance RNA library chemistries allow accurate profiling of the transcriptome of individual cell types. This has been demonstrated in the mouse, where transcriptome profiles of the mouse retina (Macosko et al, 2015) and retinal bipolar cells (Shekhar et al, 2016) have been described at the single-cell level using the Drop-seq method (Macosko et al, 2015). These studies provided a molecular classification of the mouse retina and identified novel markers for specific cell types, as well as novel candidate cell types in the retina. Recently, single-cell transcriptomics was used to analyze the human retina. Phillips et al (2018) have profiled a total of 139 cells from adult retina using the C1 Fluidigm platform, but the limited number of profiled cells presents challenges in the annotation and accurate identification of individual retinal cell types. Moreover, a flow cytometry approach was used to isolate 65 human fetal cone photoreceptors followed by scRNA-seq profiling (Welby et al, 2017). During the preparation of this manuscript, Voigt et al (2019) reported scRNA-seq profiling of 8,217 cells from human retina obtained from a mixed pool of donors that included a healthy patient, a patient with early glaucoma, and one with unknown ocular history. Herein, we report the generation of a human neural retina transcriptome atlas using 20,009 single cells collected from three healthy donors. Our data provide new insights into the transcriptome profile of major human retinal cell types and establish a high cellular-resolution reference of the human neural retina, which will have implications for identification of biomarkers and understanding retinal cell biology and diseases. Results Preparation of human neural retina samples and generation of single-cell transcriptome atlas We obtained post-mortem human adult eyes approved for research purposes following corneal transplantation. As the transcriptome profile of human retinal pigment epithelial cells has already been reported (Liao et al, 2010; Strunnikova et al, 2010), we focused solely on the neural retina layers. In this study, we extracted the neural retina from 12 donor eyes (Appendix Table S1). We observed consistent cell viability across retinal tissues retrieved within 15 h post-mortem (Appendix Fig S1A) and found that donor age does not impact negatively on cell viability in the extracted neural retina (Appendix Fig S1B). To minimize potential risk of mRNA degradation due to reduced cell viability, we selected three donor samples retrieved within 15 h post-mortem and analyzed them with single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) using the 10X Genomics Chromium platform. Sequence data from five scRNA-seq libraries derived from the three neural retinal samples were pooled for processing and analysis. From 23,000 cells, we obtained an average of 40,232 reads per cell and 1,665 UMIs (unique transcripts) per cell. Following quality control and filtering using the Seurat package (Butler et al, 2018), our final dataset contained 20,009 cells, which were taken forward for further analysis. The scRNA-seq data were initially analyzed using an unsupervised graph clustering approach implemented in Seurat (version 2.2.1) to classify individual cells into cell populations according to similarities in their transcriptome profiles. Overall, the cells were classified into 18 transcriptionally distinct clusters (Appendix Fig S2). We first assessed the variation between donor samples (Appendix Table S2). Interestingly, although many of the identified clusters are well represented in all three donor retinal samples, we also observed several donor-specific clusters corresponding to rod photoreceptors (Appendix Fig S3A). In contrast, we observed minimal variation between two different libraries prepared from the same donor sample, supporting the quality of the scRNA-seq datasets in this study (Appendix Fig S3B). The average expression for all detected genes in each cluster is listed in Dataset EV1. Identification of major cell types in the human retina using scRNA-seq Based on known markers (Blackshaw et al, 2001; Imanishi et al, 2002; Corbo et al, 2007; Soto et al, 2008; Klimova et al, 2015; Macosko et al, 2015; Shekhar et al, 2016; Vecino et al, 2016), we were able to assign cell identities to 16 of the 18 clusters (Fig 1A–D), corresponding to rod photoreceptors (PDE6A, CNGA1, RHO), cone photoreceptors (ARR3, GNGT2, GUCA1C), Müller glia (RLBP1/CRALBP), retinal astrocytes (GFAP), microglia (HLA-DPA1, HLA-DPB1, HLA-DRA), bipolar cells (VSX2, OTX2), retinal ganglion cells (NEFL, GAP43, SNCG), amacrine cells (GAD1, CALB1, CHAT), and horizontal cells (ONECUT1, ONECUT2). The expression of selected marker genes is displayed in t-SNE plots (Fig 1D). Two clusters (C5 and C14) express markers from multiple retinal cell types (Appendix Fig S4); thus, we were unable to assign cell identities to these two clusters and they were excluded from further analysis. Interestingly, our data demonstrated multiple transcriptionally distinct clusters within the rod photoreceptors (six clusters) and bipolar cells (three clusters). In contrast, only one cluster was detected for cone photoreceptors, Müller glia, retinal ganglion cells, horizontal cells, amacrine cells, retinal astrocytes, and microglia, respectively. Correlation analysis confirmed the similarity between clusters within the same cell type (Fig 1E). As expected, we observed high correlations between the expression levels of transcripts within photoreceptor cell types (rod and cones), as well as glial cells (retinal astrocytes and Müller glia) and other retinal neurons (bipolar cells, retinal ganglion cells, amacrine cells, and horizontal cells). The composition of cell populations across our three donors shows that the majority of the cells in human neural retina were rod photoreceptors (~74%) followed by bipolar cells (~10%). These results are similar to those reported in mice, where rod photoreceptors and bipolar cells form the majority of cells in the retina (Jeon et al, 1998; Macosko et al, 2015). Figure 1. Single-cell transcriptome atlas for human neural retina A, B. t-SNE visualization of 20,009 human retinal cells colored by (A) annotation of 18 transcriptionally distinct clusters (C0-C17) and (B) their distribution in three donor retina samples. C. Feature expression heatmap showing expression patterns of major retinal class markers across 16 retinal cell clusters. The size of each circle depicts the percentage of cells expressing the marker within the cluster. Brown color indicates ≥ 10 nTrans (number of transcripts). D. t-SNE plots showing expression of a set of selected marker genes for major retinal classes. E. Correlation matrix for the identified 18 clusters. The upper triangle depicts the z-value for correlation, and the lower triangle depicts the correlation coefficient for gene expression in clusters. F. Heatmap of differentially expressed genes used to classify cell types for each cluster compared to all other clusters for the 18 retinal cell clusters. The rows correspond to the top 10 genes most selectively upregulated in individual clusters (P < 0.01, Benjamini–Hochberg correction), and the columns show individual cells ordered by cluster (C0-C17). Download figure Download PowerPoint To identify genes whose expression was specific to a given cell type, we performed differential gene expression analysis to identify marker genes for each cluster (Fig 1F). We subsequently extracted membrane-related proteins from gene ontology annotations to identify potential surface markers, which can be used to develop immuno-based methods to isolate primary culture of individual retinal cell types. Appendix Table S3 lists the identified markers for individual retinal cell types. We also assessed the gene expression of a panel of commonly known markers in amacrine cells and bipolar cells (Figs EV1 and EV2), as well as a panel of markers for subtype identification recently identified in mouse scRNA-seq studies (Macosko et al, 2015; Shekhar et al, 2016). In particular, the bipolar clusters can be classified as OFF-bipolar cells (GRIK1+: C6) and ON-bipolar cells (ISL1+: C8, C11). Further analysis showed that C8 represents rod bipolar cells based on the marker PRKCA, while C11 expresses the marker TTR corresponding to a diffuse bipolar subtype DB4 (Fig EV1). In summary, we profiled the transcriptomes of all major cell types in the human retina in the presented dataset. Due to their abundance, for the subsequent analyses we focused on the photoreceptors and glial cells. Click here to expand this figure. Figure EV1. Bipolar marker gene expression in the compiled human neural retina transcriptome atlas (20,009 cells) Feature expression heatmap of VSX2 (pan-bipolar), ISL1 (ON-bipolar), GRIK1 (OFF-bipolar), PRKCA (rod bipolar cells), and TTR (DB4 bipolar). t-SNE plots showing gene expression for 14 new markers for individual bipolar subtypes identified in a previous mouse scRNA-seq study (Shekhar et al, 2016). Download figure Download PowerPoint Click here to expand this figure. Figure EV2. Amacrine marker gene expression in the compiled human neural retina transcriptome atlas (20,009 cells) A, B. t-SNE plots showing gene expression in the compiled human retina transcriptome atlas (20,009 cells). (A) 10 commonly used amacrine markers and (B) new markers for amacrine subtypes identified in a previous mouse scRNA-seq study (Macosko et al, 2015). Download figure Download PowerPoint Profiling healthy and degenerating human rod photoreceptor subpopulations We profiled 14,759 rod photoreceptors and showed that they can be classified into six populations with distinct gene expressions (C0, C1, C2, C3, C4, and C7). We assessed these six clusters with a panel of seven known rod or pan-photoreceptor markers (Fig 2A). Our results suggest differential expression patterns among the seven markers. All seven rod markers are highly abundant, consistent with previous scRNA-seq studies of mouse and human retina (Macosko et al, 2015; Phillips et al, 2018). The seven markers showed differential expression patterns in the six identified rod photoreceptor clusters. In particular, RHO, GNGT1, and SAG have the highest levels of rod marker detected, followed by NRL, ROM1, GNAT1, and CNGA1. We also noted that ROM1 is expressed in both rod and cone photoreceptors, which is consistent with previous studies (Boon et al, 2008). Importantly, many rod photoreceptor clusters consist of a majority of cells from a single donor (> 90% for C0, C2, and C4 and > 80% for C1 and C7; Fig 2B). It is possible that this observation is due to the systematic biases such as differences in tissue retrieval time, age of donors, or other sample preparation variation. The exception is cluster C3, which is well represented by all three donors. Figure 2. Identification of MALAT1-hi and MALAT1-lo subpopulations of rod photoreceptors Feature expression heatmap of a panel of known marker genes for rod photoreceptors across the identified 16 retinal cell clusters. Brown color indicates ≥ 100 nTrans (number of transcripts). Representation of the three donor retina samples in the six rod photoreceptor clusters. Violin plot showing high or low expression levels of MALAT1 in rod photoreceptor clusters. Distribution of rod photoreceptor populations with high MALAT1 expression (MALAT1-hi) or low MALAT1 expression (MALAT1-lo) in three donor retina samples. Fluorescent in situ hybridization analysis of human peripheral retina showing heterogeneous levels of MALAT1 expression in the rod photoreceptors located in the outer nuclear layer (ONL). INL, inner nuclear layer; OPL, outer plexiform layer. Scale bar = 20 μm. Download figure Download PowerPoint Next, we set out to further define and classify heterogeneity in rod photoreceptors. We observed that MALAT1, a long non-coding RNA that plays a role in retinal homeostasis and disease (Wan et al, 2017), was robustly expressed in ~66% of the identified rod photoreceptors (9,750 cells), while the rest had little to no expression (5,009 cells; Fig 2C). As such, we utilized MALAT1 expression as a discriminator and investigated differences between rod photoreceptors with high expression (MALAT1-hi; > 4.68 normalized transcripts per cell) or low expression (MALAT1-lo; < 4.68 normalized transcripts per cell). MALAT1-hi and MALAT1-lo rod photoreceptors were consistently found in each donor and library samples, with MALAT1-hi accounting for ~66, 90, and 36% of the rods in donors #1, #2, and #3, respectively (Fig 2D). To further validate this finding, we performed RNA in situ hybridization in another three donor retinal samples. We consistently observed the presence of MALAT1-hi and MALAT1-lo subpopulations of rod photoreceptors in all retinal samples (Figs 2E and EV3A). Together, these results showed the presence of heterogeneity within rod photoreceptors that can be distinguished by MALAT1 expression. Click here to expand this figure. Figure EV3. MALAT1 expression in human retina Fluorescent in situ hybridization showing expression of MALAT1 in three donor retina samples (Retina 4–6). Retina 5 from Fig 2E is also displayed here for easier comparison. Green arrows highlight rod photoreceptors with low levels of MALAT1 in Retina 4 and Retina 6, and white arrows highlight rod photoreceptors with high levels of MALAT1 in Retina 5. Scale bars = 20 μm. Correlation of proportion of MALAT1-hi rod populations with time of retina retrieval after death for Retina 1–3. Download figure Download PowerPoint To rule out the possibility that the presence of MALAT1 rod subpopulations was due to donor sample variations, we applied canonical correlation analysis (CCA) to correct for technical and batch artifacts. We found that CCA effectively corrected the donor-specific effect on rod photoreceptor clusters (Fig 3A and B). The average expression for all detected genes in each cluster is listed in Dataset EV2. Following CCA corr
0
Paper
Citation235
0
Save
64

propeller: testing for differences in cell type proportions in single cell data

Belinda Phipson et al.Nov 28, 2021
Abstract Motivation Single cell RNA Sequencing (scRNA-seq) has rapidly gained popularity over the last few years for profiling the transcriptomes of thousands to millions of single cells. This technology is now being used to analyse experiments with complex designs including biological replication. One question that can be asked from single cell experiments, which has been difficult to directly address with bulk RNA-seq data, is whether the cell type proportions are different between two or more experimental conditions. As well as gene expression changes, the relative depletion or enrichment of a particular cell type can be the functional consequence of disease or treatment. However, cell type proportions estimates from scRNA-seq data are variable and statistical methods that can correctly account for different sources of variability are needed to confidently identify statistically significant shifts in cell type composition between experimental conditions. Results We have developed propeller , a robust and flexible method that leverages biological replication to find statistically significant differences in cell type proportions between groups. Using simulated cell type proportions data we show that propeller performs well under a variety of scenarios. We applied propeller to test for significant changes in proportions of cell types related to human heart development, ageing and COVID-19 disease severity. Availability and implementation The propeller method is publicly available in the open source speckle R package ( https://github.com/phipsonlab/speckle ). All the analysis code for the paper is available at https://github.com/phipsonlab/propeller-paper-analysis/ , and the associated analysis website is available at https://phipsonlab.github.io/propeller-paper-analysis/ . Contact Alicia Oshlack: Alicia.Oshlack@petermac.org Belinda Phipson: phipson.b@wehi.edu.au Supplementary information Yes.
64
Citation9
0
Save
Load More