For more than 100 years, the fruit fly

The definition of neuronal type and how it relates to the transcriptome are open questions. Drosophila olfactory projection neurons (PNs) are among the best-characterized neuronal types: different PN classes target dendrites to distinct olfactory glomeruli, while PNs of the same class exhibit indistinguishable anatomical and physiological properties. Using single-cell RNA sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomes of most PN classes and unequivocally mapped transcriptomes to specific olfactory function for six classes. Transcriptomes of closely related PN classes exhibit the largest differences during circuit assembly but become indistinguishable in adults, suggesting that neuronal subtype diversity peaks during development. Transcription factors and cell-surface molecules are the most differentially expressed genes between classes and are highly informative in encoding cell identity, enabling us to identify a new lineage-specific transcription factor that instructs PN dendrite targeting. These findings establish that neuronal transcriptomic identity corresponds with anatomical and physiological identity defined by connectivity and function.

Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth and expansion to neighboring and distal tissues. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53(KP)-driven lung adenocarcinoma and tracked tumor evolution from single-transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that the loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by a transient increase in plasticity. This was followed by the adoption of distinct transcriptional programs that enable rapid expansion and, ultimately, clonal sweep of stable subclones capable of metastasizing. Finally, tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates progression by creating novel trajectories. Our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution and, more broadly, enables in-depth studies of tumor progression.

Abstract Antibodies are created and refined by somatic evolution in B cell populations, which endows the human immune system with the ability to recognize and eliminate diverse pathogens. However, the evolutionary processes that sculpt antibody repertoires remain poorly understood. Here, using an unbiased repertoire-scale approach, we show that the molecular signatures of evolution are evident in human B cell lineages and reveal how antibodies evolve somatically. We measured the dynamics and genetic diversity of B cell responses of five adults longitudinally before and after influenza vaccination using high-throughput antibody repertoire sequencing. We identified vaccine-responsive B cell lineages that carry signatures of selective sweeps driven by positive selection, and discovered that they often display evidence for selective sweeps favoring multiple subclones. We also found persistent B cell lineages that exhibit stable population dynamics and carry signatures of neutral drift. By exploiting the linkage between B cell fitness and antibody binding affinity, we demonstrated the potential for using signatures of selection to identify antibodies with high binding affinity. This quantitative characterization reveals that antibody repertoires are shaped by an unexpectedly broad spectrum of evolutionary processes and shows how signatures of evolutionary history can be harnessed for antibody discovery and engineering. One Sentence Summary Molecular signatures of somatic evolution reveal that diverse evolutionary processes ranging from strong positive selection to neutral drift sculpt human antibodies.

SUMMARY Tumor evolution is driven by the progressive acquisition of genetic and epigenetic alterations that enable uncontrolled growth, expansion to neighboring and distal tissues, and therapeutic resistance. The study of phylogenetic relationships between cancer cells provides key insights into these processes. Here, we introduced an evolving lineage-tracing system with a single-cell RNA-seq readout into a mouse model of Kras;Trp53 (KP)-driven lung adenocarcinoma which enabled us to track tumor evolution from single transformed cells to metastatic tumors at unprecedented resolution. We found that loss of the initial, stable alveolar-type2-like state was accompanied by transient increase in plasticity. This was followed by adoption of distinct fitness-associated transcriptional programs which enable rapid expansion and ultimately clonal sweep of rare, stable subclones capable of metastasizing to distant sites. Finally, we showed that tumors develop through stereotypical evolutionary trajectories, and perturbing additional tumor suppressors accelerates tumor progression by creating novel evolutionary paths. Overall, our study elucidates the hierarchical nature of tumor evolution, and more broadly enables the in-depth study of tumor progression.

Abstract Recognition of environmental cues is essential for the survival of all organisms. Precise transcriptional changes occur to enable the generation and function of the neural circuits underlying sensory perception. To gain insight into these changes, we generated single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory receptor neurons (ORNs), thermosensory and hygrosensory neurons from the third antennal segment at an early developmental and adult stage. We discovered that ORNs maintain expression of the same olfactory receptors across development. Using these receptors and computational approaches, we matched transcriptomic clusters corresponding to anatomically and physiologically defined neuronal types across multiple developmental stages. Cell-type-specific transcriptomes, in part, reflected axon trajectory choices in early development and sensory modality in adults. Our analysis also uncovered type-specific and broadly expressed genes that could modulate adult sensory responses. Collectively, our data reveal important transcriptomic features of sensory neuron biology and provides a resource for future studies of their development and physiology.

How a neuronal cell type is defined and how this relates to its transcriptome are still open questions. The Drosophila olfactory projection neurons (PNs) are among the best-characterized neuronal types: Different PN classes target dendrites to distinct olfactory glomeruli and PNs of the same class exhibit indistinguishable anatomical and physiological properties. Using single-cell RNA-sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomes of 40 PN classes and unequivocally identified transcriptomes for 6 classes. We found a new lineage-specific transcription factor that instructs PN dendrite targeting. Transcriptomes of closely-related PN classes exhibit the largest difference during circuit assembly, but become indistinguishable in adults, suggesting that neuronal subtype diversity peaks during development. Genes encoding transcription factors and cell-surface molecules are the most differentially expressed, indicating their central roles in specifying neuronal identity. Finally, we show that PNs use highly redundant combinatorial molecular codes to distinguish subtypes, enabling robust specification of cell identity and circuit assembly.

Antibody memory protects humans from many diseases. Protective antibody memory responses require activation of transcriptional programs, cell proliferation, and production of antigen-specific antibodies, but how these aspects of the response are coordinated is poorly understood. We profiled the molecular and cellular features of the antibody response to influenza vaccination by integrating single-cell transcriptomics, longitudinal antibody repertoire sequencing, and antibody binding measurements. Single-cell transcriptional profiling revealed a program of memory B cell activation characterized by CD11c and T-bet expression associated with clonal expansion and differentiation toward effector function. Vaccination elicited an antibody clone which rapidly acquired broad high-affinity hemagglutinin binding during affinity maturation. Unexpectedly, many antibody clones elicited by vaccination do not bind vaccine, demonstrating non-specific activation of bystander antibodies by influenza vaccination. These results offer insight into how molecular recognition, transcriptional programs, and clonal proliferation are coordinated in the human B cell repertoire during memory recall.

Abstract Interest in using nanoparticles for delivery of therapeutic RNA has been steadily growing, provoking a need to precisely understand their structure and contents. Single-particle and single-molecule analysis techniques provide snapshots of single biological nanoparticles, including viruses, liposomes, and extracellular vesicles (EVs). While existing methods primarily focus on protein detection, RNA delivery is becoming increasingly prevalent. A method to simultaneously detect protein and internal RNA in the same particle would reveal variability in size, structure, and RNA packaging efficiency, enabling optimization of nanoparticle delivery. Here, we introduce SPIRFISH, a high-throughput method for single-particle protein and RNA analysis, combining single particle interferometric reflectance imaging sensor (SP-IRIS) with single-molecule fluorescence in-situ hybridization (smFISH). Using SPIRFISH, we detect HIV-1 envelope protein and genomic RNA within single infectious virions, allowing resolution against EV background and noninfectious virions. We further show that SPIRFISH can be used to detect specific RNA within EVs. SPIRFISH should enable single particle analysis of a broad class of RNA-containing nanoparticles. Teaser: A new single particle analysis technique simultaneously detects specific RNA and protein in biological nanoparticles.

Abstract Lineage tracking offers a direct approach to study cell fate determination. In this work we combined single cell transcriptomics and lineage tracing to better understand fate-choice in human B cells. Using the antibody sequence to trace cell lineage during in vitro differentiation, we identified intrinsic proliferative and cell fate biases of B cell subtypes. Clonal analysis revealed that IgM memory B cells were more proliferative than any other B cell subtype, and that cells from the same clone had highly concordant fates. We found that transcriptional memory within clones varies across genes, with strongest persistence in genes related to cell fate determination. Similar persistent transcriptional programs were observed in human plasma cells from bone marrow, suggesting that these programs maintain long-term cell fate in vivo. These results show that cell-intrinsic fate bias influences human B cell differentiation and reveal molecular programs underpinning cell fate determination in B cells.