Abstract Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) has transformed our ability to resolve cellular properties across systems. However, current scRNA-seq platforms are one-size-fits-all approaches that are tailored toward large cell inputs (> 1,000 cells), rendering them inefficient and costly when processing small, individual tissue samples. This important drawback tends to be resolved by loading bulk samples, but this yields confounded mosaic cell population read-outs. To overcome these technological limitations, we developed a d etermin is tic, mRNA-capture bead and cell co -encapsulation dropleting system, DisCo. We demonstrate that DisCo enables precise particle and cell positioning and droplet sorting control through combined machine-vision and multilayer microfluidics. In comparison to other microfluidics systems, the active flow control driving DisCo, enables continuous operation and processing of low-input samples (< 100 cells) at high capture efficiency (> 70%). To underscore the unique capabilities of our approach, we analyzed intestinal organoid development by “DisCo-ing” 31 individual organoids at varying developmental stages. This revealed extensive organoid heterogeneity, identifying distinct subtypes including a regenerative fetal-like Ly6a + stem cell population which persists as symmetrical cysts even under differentiation conditions. Furthermore, we uncovered a so far uncharacterized “gobloid” subtype consisting predominantly of precursor and mature ( Muc 2 + ) goblet cells. These findings demonstrate the unique power of DisCo in providing high-resolution snapshots of cellular heterogeneity among small, individual tissues.

Abstract The ability to evaluate food palatability is innate in all animals, ensuring their survival. The external taste organ in Drosophila larvae is composed of only few sensory neurons but enables discrimination between a wide range of chemicals and displays high complexity in receptor gene expression and physiological response profile. It remains largely unknown how the discrepancy between a small neuronal number and the perception of a large sensory space is genetically and physiologically resolved. We tackled dissection of taste sensory coding at organ level with cellular resolution in the fruit fly larva by combining whole-organ calcium imaging and single-cell transcriptomics to map physiological properties and molecular features of individual neurons. About one third of gustatory sense neurons responded to multiple tastants, showing a rather large degree of multimodality within the taste organ. Further supporting the notion of signal integration at the periphery, we observed neuronal deactivation events within simultaneous neighboring responses, suggesting inter-cellular communication through electrical coupling and thus providing an additional level in how neurons may encode taste sensing. Interestingly, we identified neurons responding to both mechanical and taste stimulation, indicating potential multisensory integration. On a molecular level, chemosensory cells show heterogeneity in neuromodulator expression. In addition to a broad cholinergic profile, markers on dopaminergic, glutamatergic or neuropeptidergic pathways are present either in distinct cell populations or are seemingly co-expressed. Our data further extend the sensory capacity of the larval taste system pointing towards an unanticipated degree of multimodal and multisensory coding principles.

Abstract Gut-draining mesenteric lymph nodes (mLN) provide the framework and microenvironment to shape intestinal adaptive immune responses. We previously delineated transcriptional signatures in LN stromal cells (SC), pointing to tissue-specific variability in composition and immuno-modulatory function of SCs. Here, we dissect the tissue-specific epigenomic DNA accessibility and CpG methylation landscape of LN non-endothelial SCs and identify a microbiota-independent core epigenomic signature of LN SCs. By combined analysis of transcription factor (TF) binding sites together with the gene expression profiles of non-endothelial SCs, we delineated TFs poising skin-draining peripheral LN (pLN) SCs for pro-inflammatory responses. Furthermore, using scRNA-seq, we dissected the developmental trajectory of mLN SCs derived from postnatal to aged mice, identifying two distinct putative progenitors, namely CD34 + SC and fibroblastic reticular stromal cell (FRC) progenitors, which both feed the rapid postnatal LN expansion. Finally, we identified Irf3 as a key differentiation TF inferred from the epigenomic signature of mLN SCs that is dynamically expressed along the differentiation trajectories of FRCs, and validated Irf3 as a regulator of Cxcl9 + FRC differentiation. Together, our data constitute a comprehensive transcriptional and epigenomic map of mLN development and dissect location-specific, microbiota-independent properties of mLN non-endothelial SCs. As such, our findings represent a valuable resource to identify core transcriptional regulators that impinge on the developing mLN early in life, thereby shaping long-lasting intestinal adaptive immune responses.

Abstract Reprogramming approaches often produce heterogeneous cell fates and the mechanisms behind this heterogeneity are not well-understood. To address this gap, we developed scTF-seq, a technique inducing single-cell barcoded and doxycycline-inducible TF overexpression while quantifying TF dose-dependent transcriptomic changes. Applied to mouse embryonic multipotent stromal cells (MSCs), scTF-seq produced a gain-of-function atlas for 384 murine TFs. This atlas offers a valuable resource for gene regulation and reprogramming research, identifying key TFs governing MSC lineage differentiation, cell cycle control, and their interplay. Leveraging the single-cell resolution, we dissected reprogramming heterogeneity along dose and pseudotime. We thereby revealed TF dose-dependent and stochastic cell fate branching, unveiling gene expression signatures that enhance our understanding and prediction of reprogramming efficiency. scTF-seq also allowed us to classify TFs into four sensitivity classes based on dose response and determining features. Finally, in combinatorial scTF-seq, we observed that the same TF can exhibit both synergistic and antagonistic effects on another TF depending on its dose. In summary, scTF-seq provides a powerful tool for gaining mechanistic insights into how TFs determine cell states, while offering novel perspectives for cellular engineering strategies.

Summary Food presents a multisensory experience, with visual, taste, and olfactory cues being important in allowing an animal to determine the safety and nutritional value of a given substance. Texture, however, remains a surprisingly unexplored aspect, despite providing key information about the state of the food through properties such as hardness, liquidity, and granularity. Food perception is achieved by specialised sensory neurons, which themselves are defined by the receptor genes they express. While it was assumed that sensory neurons respond to one or few closely-related stimuli, more recent findings challenge this notion and support evidence that certain sensory neurons are more broadly tuned. In the Drosophila taste system, gustatory neurons respond to cues of opposing hedonic valence or to olfactory cues. Here, we identified that larvae ingest and navigate towards specific food substrate hardnesses, and probed the role of gustatory organs in this behaviour. By developing a genetic tool targeting specifically gustatory organs, we show that these organs are major contributors for evaluation of food texture and ingestion decision-making. We find that ablation of gustatory organs not only results in loss of chemosensation, but also navigation and ingestion preference to varied substrate textures. Furthermore, we show that certain neurons in the primary taste organ exhibit varied and concurrent physiological responses to mechanical and multimodal stimulation. We show that individual neurons house independent mechanisms for multiple sensory modalities, challenging assumptions about capabilities of sensory neurons. We propose that further investigations, across the animal kingdom, may reveal higher sensory complexity than currently anticipated.