Circular RNAs (circRNAs) are a new class of non-polyadenylated non-coding RNAs that may play important roles in many biological processes. Here we develop a single-cell universal poly(A)-independent RNA sequencing (SUPeR-seq) method to sequence both polyadenylated and non-polyadenylated RNAs from individual cells. This method exhibits robust sensitivity, precision and accuracy. We discover 2891 circRNAs and 913 novel linear transcripts in mouse preimplantation embryos and further analyze the abundance of circRNAs along development, the function of enriched genes, and sequence features of circRNAs. Our work is key to deciphering regulation mechanisms of circRNAs during mammalian early embryonic development.

Spermatogenesis generates mature male gametes and is critical for the proper transmission of genetic information between generations. However, the developmental landscapes of human spermatogenesis remain unknown. Here, we performed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis for 2,854 testicular cells from donors with normal spermatogenesis and 174 testicular cells from one nonobstructive azoospermia (NOA) donor. A hierarchical model was established, which was characterized by the sequential and stepwise development of three spermatogonia subtypes, seven spermatocyte subtypes, and four spermatid subtypes. Further analysis identified several stage-specific marker genes of human germ cells, such as HMGA1, PIWIL4, TEX29, SCML1, and CCDC112. Moreover, we identified altered gene expression patterns in the testicular somatic cells of one NOA patient via scRNA-seq analysis, paving the way for further diagnosis of male infertility. Our work allows for the reconstruction of transcriptional programs inherent to sequential cell fate transition during human spermatogenesis and has implications for deciphering male-related reproductive disorders.

SUMMARY Dysfunctional immune response in the COVID-19 patients is a recurrent theme impacting symptoms and mortality, yet the detailed understanding of pertinent immune cells is not complete. We applied single-cell RNA sequencing to 284 samples from 205 COVID-19 patients and controls to create a comprehensive immune landscape. Lymphopenia and active T and B cell responses were found to coexist and associated with age, sex and their interactions with COVID-19. Diverse epithelial and immune cell types were observed to be virus-positive and showed dramatic transcriptomic changes. Elevation of ANXA1 and S100A9 in virus-positive squamous epithelial cells may enable the initiation of neutrophil and macrophage responses via the ANXA1-FPR1 and S100A8/9-TLR4 axes. Systemic upregulation of S100A8/A9, mainly by megakaryocytes and monocytes in the peripheral blood, may contribute to the cytokine storms frequently observed in severe patients. Our data provide a rich resource for understanding the pathogenesis and designing effective therapeutic strategies for COVID-19. HIGHLIGHTS Large-scale scRNA-seq analysis depicts the immune landscape of COVID-19 Lymphopenia and active T and B cell responses coexist and are shaped by age and sex SARS-CoV-2 infects diverse epithelial and immune cells, inducing distinct responses Cytokine storms with systemic S100A8/A9 are associated with COVID-19 severity

Abstract NEUROD1-induced astrocyte-to-neuron (AtN) conversion has garnered significant attention as a potential therapeutic intervention to neurological disorders. To gain insight into the molecular regulations underlying this neuronal reprogramming process, we applied single-cell multiomics analyses on in vitro ND1-induced AtN conversion to systematically investigate how ND1 changed the fate of astrocytes at transcriptomic and epigenetic levels. Our findings reveal that the initial immature astrocytes go through an intermediate state where both astrocytic and neuronal genes are activated at early stage of AtN conversion. ND1 directly reshapes the chromatin accessibility landscape of astrocytes to that of neurons, promoting expression of endogenous Neurod1 and other neurogenic genes such as Hes6, Insm1 etc. Interestingly, cell proliferation status is highly correlated with conversion rate, and inhibition of cell division significantly reduces the conversion ratio. Moreover, in comparison with another AtN reprogramming transcription factor, ASCL1, external ND1 can activate endogenous Neurod1 and directly promote neuronal gene transcription; whereas external ASCL1 hardly activates endogenous Ascl1, leading to slower and inefficient conversion. Together, our studies demonstrate that in vitro AtN conversion mimics neurogenic transcriptional program in embryonic neurogenesis.

Hematopoietic stem cells (HSCs) in adults are believed to be born from hemogenic endothelial cells (HECs) in mid-gestational mouse embryos. Due to rare and transient nature, the HSC-competent ECs have never been stringently identified and accurately captured, let alone their genuine vasculature precursors. Here, we firstly used high-precision single-cell transcriptomics to unbiasedly examine relevant EC populations at continuous developmental stages and transcriptomically identified putative HSC-primed HECs. Combining computational prediction and in vivo functional validation, we precisely captured HSC-competent HECs by newly constructed Neurl3-EGFP reporter mouse model, and realized enrichment further by surface marker combination. Surprisingly, endothelial-haematopoietic bi-potential was rarely but reliably witnessed in culture of single HECs. Noteworthy, primitive vascular ECs experienced two-step fate choices to become HSC-primed HECs, resolving several previously observed contradictions. Taken together, comprehensive understanding of endothelial evolutions and molecular programs underlying HSC-primed HEC specification in vivo will facilitate future investigations directing HSC production in vitro.

Brain tumors are among the most challenging human tumors for which the mechanisms driving progression and heterogeneity remain poorly understood. We combined single-cell RNA-seq with multisector biopsies to sample and analyze single-cell expression profiles of gliomas from 13 Chinese patients. After classifying individual cells, we generated a spatial and temporal landscape of glioma that revealed the patterns of invasion between the different sub-regions of gliomas. We also used single-cell inferred CNVs and pseudotime trajectories to inform on the crucial branches that dominate tumor progression. The dynamic cell components of the multi-region biopsy analysis allowed us to spatially deconvolute with unprecedented accuracy the transcriptomic features of the core and those of the periphery of glioma at single cell level. Through this rich and geographically detailed dataset, we were also able to characterize and construct the chemokine and chemokine receptor interactions that exist among different tumor and non-tumor cells. This study provides the first spatial-level analysis of the cellular states that characterize human gliomas. It also presents an initial molecular map of the crosstalks between glioma cells and the surrounding microenvironment with single cell resolution.

Embryonic stem cells (ESCs) can differentiate into all cell types of the embryonic germ layers. ESCs can also generate totipotent 2C-like cells and trophectodermal cells. However, these latter transitions occur at low frequency due to epigenetic barriers, the nature of which is not fully understood. Here, we show that treating mouse ESCs with sodium butyrate (NaB) increases the population of 2C-like cells and enables direct reprogramming of ESCs into trophoblast stem cells (TSCs) without a transition through a 2C-like state. Mechanistically, NaB inhibits histone deacetylase activities in the LSD1-HDAC1/2 corepressor complex. This increases acetylation levels in the regulatory regions of both 2C- and TSC-specific genes, promoting their expression. In addition, NaB-treated cells acquire the capacity to generate blastocyst-like structures that can develop beyond the implantation stage in vitro and form deciduae in vivo. These results identify how epigenetics restrict the totipotent and trophectoderm fate in mouse ESCs.

Rate and mechanism of organic compounds desorption from fluid fine tailings (FFT) deposits into the capped water are crucial to understand the geochemical stability of end pit lakes. Specifically, the intricate interplay between electrolyte concentrations and seasonal fluctuations along with their impact on the persistence of organic constituents remains insufficiently elucidated. This study utilized PASS-treated FFT (i.e., permanent aquatic structure storage) from Lake Miwasin to address these questions. Experiments were conducted to investigate the desorption of organics from FFT into lake water under different conditions, including FFT dosage, contact time, temperature, and ionic strength. Results revealed that higher FFT dosage and lake water organic matter led to increased desorption of dissolved organic carbon (DOC), while temperature and conductivity of the lake water had minimal effects. The presence of electrolytes regulated the equilibrium desorption capacity of DOC, with cations (K+ and Ca2+) significantly affecting the desorption process from negatively charged treated FFT particles. Temkin isotherms displayed that desorption dynamics followed physically favorable patterns whereas the Intraparticle diffusion kinetic model suggested the equilibrium desorption capacity of DOC as 0.65 mg/g of PASS-treated FFT. A small percentage (5.82 %) of the DOC and less than half of naphthenic acids (NAs) (39.1 %) in PASS-treated FFT were potentially released. The distribution coefficient value of DOC and NAs was comparably high, indicating that DOC and NAs were mostly stable within the PASS-treated FFT deposition. The study reflects considerable stability of PASS-treated FFT about the physical and chemical conditions of the lake water, making them a promising alternative in FFT management.

Enhancers, through the combinatorial action of transcription factors (TFs), dictate both the spatial specificity and the levels of gene expression, and their aberrations can result in diseases. The association between HMX1 and its downstream enhancer with ear deformities has been previously documented. However, the pathogenic variations and molecular mechanisms underlying the bilateral constricted ear (BCE) malformations remain unclear. This study identifies a copy number variation (CNV) encompassing three enhancers that induces BCE. These enhancers, collectively termed the positional identity hierarchical enhancer cluster (PI-HEC), co-regulate spatiotemporal expression of the HMX1 gene in a coordinated and synergistic mode, each displaying unique activity-location-structure characteristics. A thorough exploration of this regulatory locus reveals that specific motif clusters within the PI-HEC variably modulate its activity and specificity, with the high mobility group (HMG) box combined with Coordinator and homeodomain (HD)-TFs notably influencing them respectively. Our findings based on various types of mouse models, reveal that both aberrant Hmx1 expression in the fibroblasts of the basal pinna, originating from neural crest cells, and ectopic expression in the distal pinna structures contribute to the abnormal development of the outer ear, including the cartilage, muscle, and epidermis tissues. This study deepens our understanding of mammalian ear morphogenesis and sheds light on the complexity of gene expression regulation by enhancers and specific sequence motifs.