Abstract Common genetic variants modulate the cellular response to viruses and are implicated in a range of immune pathologies, including infectious and autoimmune diseases. The transcriptional antiviral response is known to vary between infected cells from a single individual, yet how genetic variants across individuals modulate the antiviral response (and its cell-to-cell variability) is not well understood. Here, we triggered the antiviral response in human fibroblasts from 68 healthy donors, and profiled tens of thousands of cells using single-cell RNA-seq. We developed GASPACHO (GAuSsian Processes for Association mapping leveraging Cell HeterOgeneity), the first statistical approach designed to identify dynamic eQTLs across a transcriptional trajectory of cell populations, without aggregating single-cell data into pseudo-bulk. This allows us to uncover the underlying architecture and variability of antiviral response across responding cells, and to identify more than two thousands eQTLs modulating the dynamic changes during this response. Many of these eQTLs colocalise with risk loci identified in GWAS of infectious and autoimmune diseases. As a case study, we focus on a COVID-19 susceptibility locus, colocalised with the antiviral OAS1 splicing QTL. We validated it in blood cells from a patient cohort and in the infected nasal cells of a patient with the risk allele, demonstrating the utility of GASPACHO to fine-map and functionally characterise a genetic locus. In summary, our novel analytical approach provides a new framework for delineation of the genetic variants that shape a wide spectrum of transcriptional responses at single-cell resolution.

Abstract The ability of epithelial cells to rewire their cell fate program beyond their physiological repertoire has become a new paradigm in stem cell biology. This plasticity leaves behind the concept of strict stem cell hierarchies, opening up new exciting questions about its limits and underlying regulation. Here we developed a heterotypic 3D culture system to study the mechanisms modulating changes in the identity of adult esophageal epithelial cells. We demonstrate that, when exposed to the foreign stroma of adult skin, esophageal cells transition towards hair follicle identity and architecture. Heterotypic transplantation experiments recapitulated this cell fate conversion process in vivo . Single-cell RNA sequencing and histological analysis, capturing the temporality of this process, reveal that most esophageal cells switching towards skin identity remain in an intermediate state marked by a transient regenerative profile and a particularly strong hypoxic signature. Inhibition of HIF1a establishes the central role of this pathway in regulating epithelial cell plasticity, driving cells away from their transition state in favor of cell fate conversion.

Hematopoietic aging is marked by a loss of regenerative capacity and skewed differentiation from hematopoietic stem cells (HSC) leading to dysfunctional blood production. Signals from the bone marrow (BM) niche dynamically tailor hematopoiesis, but the effect of aging on the niche microenvironment and the contribution of the aging niche to blood aging still remains unclear. Here, we characterize the inflammatory milieu in the aged marrow cavity that drives both stromal and hematopoietic remodeling. We find decreased numbers and functionality of osteogenic mesenchymal stromal cells (MSC) at the endosteum and expansion of pro-inflammatory perisinusoidal MSCs with deterioration of sinusoidal endothelium in the central marrow, which together create a degraded and inflamed old niche. Molecular mapping at single cell resolution confirms disruption of cell identities and enrichment of inflammatory response genes in niche populations. Niche inflammation, in turn, drives chronic activation of emergency myelopoiesis pathways in old HSCs and multipotent progenitors (MPP), which promotes myeloid differentiation at the expense of lymphoid and erythroid commitment and hinders hematopoietic regeneration. Remarkably, niche deterioration, HSC dysfunction and defective hematopoietic regeneration, can be improved by blocking inflammatory IL-1 signaling. Our results demonstrate that targeting niche inflammation is a tractable strategy to restore blood production during aging.

Summary Hematopoietic stem cells (HSCs) develop within a short time window from the hemogenic endothelium in the aorta- gonads-and mesonephros (AGM) region during embryonic development. The first HSCs reside within Intra-aortic hematopoietic clusters (IAHC) along with hematopoietic progenitors (HPC). The signalling mechanisms that divert HSCs from HPCs are unknown. Notch signaling is essential for arterial specification, IAHC formation and HSC activity, but current studies on how Notch drives these different fates are inconsistent. To determine the role of Notch in the specification of hemogenic endothelium, HSC and/or HPCs, we extensively analyzed Notch dynamics in the period of HSC generation. We defined the expression pattern of Notch signalling molecules at the gene and protein level and established a molecular mechanism that reconcile previous studies demonstrating the loss of HSC activity in NOTCH1, JAG1 and RBPJ null mutants, the enhanced HSC generation by blocking specific Notch activities or the abrogation of emerging HSCs by high Notch activation. We now demonstrate that Notch activity is highest in a subset of Gfi1+ hemogenic endothelial cells and is gradually lost with HSC maturation. We uncover that the HSC phenotype is maintained through loss of Notch activity due to increasing levels of NOTCH1 and JAG1 interactions on the surface of the same cell ( cis ) that renders the NOTCH1 receptor from being activated. Forcing activation of the NOTCH1 receptor in IAHC cells activates a hematopoietic differentiation program and supports a cis -inhibitory function for JAG1 and NOTCH1. Furthermore, we demonstrate that this cis -inhibitory interaction is enabled by RADICAL FRINGE (RFNG), a glycosyltransferase that enhances the affinity of NOTCH1 to JAG1 in cis . Finally, our results indicate that NOTCH1-JAG1 cis -inhibition is necessary for preserving the HSC phenotype in the hematopoietic clusters of the aorta.

By profiling the transcriptomes of individual cells, single-cell RNA sequencing provides unparalleled resolution to study cellular heterogeneity. However, this comes at the cost of high technical noise, including cell-specific biases in capture efficiency and library generation. One strategy for removing these biases is to add a constant amount of spike-in RNA to each cell, and to scale the observed expression values so that the coverage of spike-in RNA is constant across cells. This approach has previously been criticized as its accuracy depends on the precise addition of spike-in RNA to each sample, and on similarities in behaviour (e.g., capture efficiency) between the spike-in and endogenous transcripts. Here, we perform mixture experiments using two different sets of spike-in RNA to quantify the variance in the amount of spike-in RNA added to each well in a plate-based protocol. We also obtain an upper bound on the variance due to differences in behaviour between the two spike-in sets. We demonstrate that both factors are small contributors to the total technical variance and have only minor effects on downstream analyses such as detection of highly variable genes and clustering. Our results suggest that spike-in normalization is reliable enough for routine use in single-cell RNA sequencing data analyses.