Abstract Human skeletal stem cells (SSCs) have been discovered in fetal and adult bones. However, the spatiotemporal ontogeny of human SSCs during embryogenesis has been elusive. Here we map the transcriptional landscape of human embryonic skeletogenesis at single-cell resolution to address this fundamental question. We found remarkable heterogeneity within human limb bud mesenchyme and epithelium, as well as the earliest osteo-chondrogenic progenitors. Importantly, embryonic SSCs (eSSCs) were found in the perichondrium of human long bones, which self-renew and generate osteochondral lineage cells, but not adipocytes or hematopoietic stroma. eSSCs are marked by the adhesion molecule CADM1 and highly enrich FOXP1/2 transcriptional network. Interestingly, neural crest-derived cells with similar phenotypic markers and transcriptional network were also found in the sagittal suture of human embryonic calvaria. Taken together, this study revealed the cellular heterogeneity and lineage hierarchy during human embryonic skeletogenesis, and identified distinct skeletal stem/progenitor cells that orchestrate endochondral and intramembranous ossification.

Tracing the emergence of the first hematopoietic stem cells (HSCs) in human embryos, particularly the scarce and transient precursors thereof, is so far challenging, largely due to technical limitations and material rarity. Here, using single-cell RNA sequencing, we constructed the first genome-scale gene expression landscape covering the entire course of endothelial-to-HSC transition during human embryogenesis. The transcriptomically defined HSC-primed hemogenic endothelial cells (ECs) were captured at Carnegie stage 12-14 in an unbiased way, showing an unambiguous arterial EC feature with the up-regulation of RUNX1, MYB and ANGPT1. Importantly, subcategorizing CD34+CD45- ECs into CD44+ population strikingly enriched hemogenic ECs by over 10-fold. We further mapped the developmental path from arterial ECs via HSC-primed hemogenic ECs to hematopoietic stem progenitor cells, and revealed a distinct expression pattern of genes that were transiently over-represented upon the hemogenic fate choice of arterial ECs, including EMCN, PROCR and RUNX1T1. We also uncovered another temporally and molecularly distinct intra-embryonic hemogenic EC population, which was detected mainly at earlier CS 10 and lacked the arterial feature. Finally, we revealed the cellular components of the putative aortic niche and potential cellular interactions acting on the HSC-primed hemogenic ECs. The cellular and molecular programs and interactions that underlie the generation of the first HSCs from hemogenic ECs in human embryos, together with distinguishing HSC-primed hemogenic ECs from others, will shed light on the strategies for the production of clinically useful HSCs from pluripotent stem cells.

Abstract Understanding the molecular regulation of arterial and hemogenic specification during early embryonic vascular development is crucial for guiding vascular and hematopoietic regeneration. Accumulating evidence emphasizes the role of long non-coding RNAs (lncRNAs) in cell fate decision. However, the dynamic expression and the potential roles of lncRNAs in early vascular development are still unknown. Here, we first constructed a single-cell landscape of lncRNA expression based on the deeply sequenced tag-based single-cell transcriptome data of early embryonic vascular endothelial cells (VECs). We revealed the contribution of lncRNAs to VEC heterogeneity and identified 295 lncRNAs with specific expression in eight VEC populations. Furthermore, we identified a series of lncRNAs potentially involved in regulating the two waves of arterial specification and hemogenic specification. We uncovered a transient downregulation of H19 in the hemogenic endothelial population during endothelial-to-hematopoietic transition. Additionally, we constructed a transcription factor regulatory network composed of 287 regulons for early VEC development. We further revealed differential activation patterns of regulons and modules in the eight VEC populations, and predicted potential lncRNA-regulon regulatory network. Moreover, unsupervised analysis of the lncRNA expression profile revealed novel VEC subpopulations strongly associated with the maturation of VECs, suggesting the prominent roles of lncRNAs in endothelial maturation. In summary, our study fills the gap in understanding of lncRNA regulatory networks in early vascular development and provides insights into the fields of vascular and hematopoietic regeneration research.

Hyperhomocysteine has been recognized as an independent risk factor of multiple diseases, including several eye diseases. In this study, we aim to investigate whether increased homocysteine (Hcy) is related to cataracts, and to explore whether dysregulation of mTOR-mediated autophagy and connexin expression are underlying mechanisms.

ABSTRACT We have been investigating epigenetic alterations in the brain during human aging and Alzheimer’s disease (AD), and have evidence for histone acetylation both protecting the aging epigenome and driving AD. Here we extend our studies to chromatin architecture via looping studies, and with binding studies of key proteins required for looping: CTCF and RAD21. We detected changes in CTCF and RAD21 levels and localization, finding major changes in CTCF in AD compared to fewer changes in healthy aging. In our study of 3D genome conformation changes, we identified stable topological associating domains (TADs) in Old and AD; in contrast, in AD, there is loss of interaction at genomic sites/loops within TADs, likely reflecting the loss of CTCF. We identified genes and potential transcription factor binding at the loops that are lost in AD. in addition, we found enrichment of CTCF peak losses for AD eQTLs, suggesting that architectural dysfunction has a role in Alzheimer’s. Functional experiments lowering the homologues of several key genes in a Drosophila model of Aβ42 toxicity exacerbate neurodegeneration. Taken together, these data indicate both functional protections and losses occur in the Alzheimer’s brain genome compared to normal aging.

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.

DNA repair allows the survival of cancer cells. Therefore, the development of DNA repair inhibitors is a critical need for sensitizing cancers to chemoradiation. Sae2

Achievement of immunocompetent and therapeutic T lymphopoiesis from pluripotent stem cells is a central aim in T cell regenerative medicine. To date, preferentially regenerating T lymphopoiesis in vivo from pluripotent stem cells (PSC) remains a practical challenge. Here we documented that synergistic and transient expression of Runx1 and Hoxa9 restricted in the time window of endothelial to hematopoietic transition and hematopoietic maturation stages induced in vitro from PSC (iR9-PSC) preferentially generated engraftable hematopoietic progenitors capable of homing to thymus and developing into mature T (iT) cells in primary and secondary immunodeficient recipients. Single-cell transcriptome and functional analyses illustrated the cellular trajectory of T lineage induction from PSC, unveiling the T-lineage specification determined at as early as hemogenic endothelial cell stage and identifying the bona fide pre-thymic progenitors. The iT cells distributed normally in central and peripheral lymphoid organs and exhibited abundant TCRαβ repertoire. The regenerative T lymphopoiesis rescued the immune-surveillance ability in immunodeficient mice. Furthermore, gene-edited iR9-PSC produced tumor-specific-T cells in vivo that effectively eradicated tumor cells. This study provides insight into universal generation of functional and therapeutic T lymphopoiesis from the unlimited and editable PSC source.