Single-cell transcriptome analysis enables the direct measurement of cell types and lineage hierarchies of the developing distal lung epithelium and identifies a population of bipotential alveolar progenitor cells. Stephen Quake and colleagues have used a new microfluidic single-cell RNA- sequencing method to examine the cellular heterogeneity in the developing mouse lung. Using this approach they identify potential new markers for both alveolar type 1 (AT1) cells, specialized for gas exchange, and surfactant-secreting cuboidal AT2 cells. The techniques used here could be applied to any developing or mature tissue, so it could be useful for the identification of cell types, progenitors and lineage-specific regulatory factors. The mammalian lung is a highly branched network in which the distal regions of the bronchial tree transform during development into a densely packed honeycomb of alveolar air sacs that mediate gas exchange. Although this transformation has been studied by marker expression analysis and fate-mapping, the mechanisms that control the progression of lung progenitors along distinct lineages into mature alveolar cell types are still incompletely known, in part because of the limited number of lineage markers1,2,3 and the effects of ensemble averaging in conventional transcriptome analysis experiments on cell populations1,2,3,4,5. Here we show that single-cell transcriptome analysis circumvents these problems and enables direct measurement of the various cell types and hierarchies in the developing lung. We used microfluidic single-cell RNA sequencing (RNA-seq) on 198 individual cells at four different stages encompassing alveolar differentiation to measure the transcriptional states which define the developmental and cellular hierarchy of the distal mouse lung epithelium. We empirically classified cells into distinct groups by using an unbiased genome-wide approach that did not require a priori knowledge of the underlying cell types or the previous purification of cell populations. The results confirmed the basic outlines of the classical model of epithelial cell-type diversity in the distal lung and led to the discovery of many previously unknown cell-type markers, including transcriptional regulators that discriminate between the different populations. We reconstructed the molecular steps during maturation of bipotential progenitors along both alveolar lineages and elucidated the full life cycle of the alveolar type 2 cell lineage. This single-cell genomics approach is applicable to any developing or mature tissue to robustly delineate molecularly distinct cell types, define progenitors and lineage hierarchies, and identify lineage-specific regulatory factors.

Ageing is characterized by a progressive loss of physiological integrity, leading to impaired function and increased vulnerability to death1. Despite rapid advances over recent years, many of the molecular and cellular processes that underlie the progressive loss of healthy physiology are poorly understood2. To gain a better insight into these processes, here we generate a single-cell transcriptomic atlas across the lifespan of Mus musculus that includes data from 23 tissues and organs. We found cell-specific changes occurring across multiple cell types and organs, as well as age-related changes in the cellular composition of different organs. Using single-cell transcriptomic data, we assessed cell-type-specific manifestations of different hallmarks of ageing-such as senescence3, genomic instability4 and changes in the immune system2. This transcriptomic atlas-which we denote Tabula Muris Senis, or 'Mouse Ageing Cell Atlas'-provides molecular information about how the most important hallmarks of ageing are reflected in a broad range of tissues and cell types.

Ageing is the single greatest cause of disease and death worldwide, and understanding the associated processes could vastly improve quality of life. Although major categories of ageing damage have been identified—such as altered intercellular communication, loss of proteostasis and eroded mitochondrial function1—these deleterious processes interact with extraordinary complexity within and between organs, and a comprehensive, whole-organism analysis of ageing dynamics has been lacking. Here we performed bulk RNA sequencing of 17 organs and plasma proteomics at 10 ages across the lifespan of Mus musculus, and integrated these findings with data from the accompanying Tabula Muris Senis2—or ‘Mouse Ageing Cell Atlas’—which follows on from the original Tabula Muris3. We reveal linear and nonlinear shifts in gene expression during ageing, with the associated genes clustered in consistent trajectory groups with coherent biological functions—including extracellular matrix regulation, unfolded protein binding, mitochondrial function, and inflammatory and immune response. Notably, these gene sets show similar expression across tissues, differing only in the amplitude and the age of onset of expression. Widespread activation of immune cells is especially pronounced, and is first detectable in white adipose depots during middle age. Single-cell RNA sequencing confirms the accumulation of T cells and B cells in adipose tissue—including plasma cells that express immunoglobulin J—which also accrue concurrently across diverse organs. Finally, we show how gene expression shifts in distinct tissues are highly correlated with corresponding protein levels in plasma, thus potentially contributing to the ageing of the systemic circulation. Together, these data demonstrate a similar yet asynchronous inter- and intra-organ progression of ageing, providing a foundation from which to track systemic sources of declining health at old age. Bulk RNA sequencing of organs and plasma proteomics at different ages across the mouse lifespan is integrated with data from the Tabula Muris Senis, a transcriptomic atlas of ageing mouse tissues, to describe organ-specific changes in gene expression during ageing.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

SUMMARY Birth defects result from interactions between genetic and environmental factors, but the mechanisms remain poorly understood. We find that mutations and teratogens interact in predictable ways to cause birth defects by changing target cell sensitivity to Hedgehog (Hh) ligands. These interactions converge on a membrane protein complex, the MMM complex, that promotes degradation of the Hh transducer Smoothened (SMO). Deficiency of the MMM component MOSMO results in elevated SMO and increased Hh signaling, causing multiple birth defects. In utero exposure to a teratogen that directly inhibits SMO reduces the penetrance and expressivity of birth defects in Mosmo -/- embryos. Additionally, tissues that develop normally in Mosmo -/- embryos are refractory to the teratogen. Thus, changes in the abundance of the protein target of a teratogen can change birth defect outcomes by quantitative shifts in Hh signaling. Consequently, small molecules that re-calibrate signaling strength could be harnessed to rescue structural birth defects.