Summary Genome-wide studies on the genetic basis of gene expression and the structural properties of chromatin have considerably advanced our understanding of the function of the human genome. However, it remains unclear how structure relates to function and, in this work, we aim at bridging both by assembling a dataset that combines the activity of regulatory elements (e.g. enhancers and promoters), expression of genes and genetic variations of 317 individuals and across two cell types. We show that the regulatory activity is structured within 12,583 Cis Regulatory Domains (CRDs) that are cell type specific and highly reflective of the local (i.e. Topologically Associating Domains) and global (i.e. A/B nuclear compartments) nuclear organization of the chromatin. These CRDs essentially delimit the sets of active regulatory elements involved in the transcription of most genes, thereby capturing complex regulatory networks in which the effects of regulatory variants are propagated and combined to finally mediate expression Quantitative Trait Loci. Overall, our analysis reveals the complexity and specificity of cis and trans regulatory networks and their perturbation by genetic variation.

Abstract The mechanisms underlying cellular and organismal phenotypes due to copy number alterations (CNA) are not fully understood. Aneuploidy is a major source of gene dosage imbalance due to CNA and viable human trisomies are model disorders of altered gene expression. To understand the cellular impact of gene dosage imbalance, we studied gene and allele specific expression (ASE) of 9668 single-cell fibroblasts in trisomies T21, T18, T13 and T8. To limit the bias of interindividual noise, all comparisons between euploid and trisomic single-cells were performed on an isogenic setting for all trisomies studied. Initially we examined 928 single cells with deep RNA-Seq. For T21 we used fibroblasts from one pair of monozygotic twins discordant for T21 and from mosaic T21. For T18, T13 and T8 we analyzed single cells from mosaic individuals. Single-cell analyses revealed inconsistencies concerning the overexpression of some genes observed in differential trisomic vs euploid bulk RNAseq while this imbalance was not detectable in trisomic vs. euploid single cells. Moreover, ASE profiling of all single cells uncovered a substantial monoallelic pattern of expression in the trisomic fraction of the genome. By classifying genes according to the level of mono and bi-allelic transcription, we have observed that, for genes with monoallelic and low-to-average expression, the altered gene dosage is mainly due to the higher fraction of cells simultaneously expressing these genes in the trisomic samples. These results were confirmed in a further experiment of 8740 single fibroblasts from the monozygotic twins discordant for T21 samples. We conclude that gene dosage imbalance is of bidimensional nature: over time (simultaneous expression of all alleles resulting in increased accumulation of RNA of copy altered genes in each single cell) as previously stated, and over space (increased fraction of cells simultaneously expressing copy altered genes). These results strongly suggest that each class of genes contributes to the phenotypic variability of trisomies according to its temporal and spatial behavior and propose an improved model to understand the effects of copy number alterations.

The gonad is a unique biological system for studying cell fate decisions. However, major questions remain regarding the identity of somatic progenitor cells and the transcriptional events driving cell differentiation. Using time course single cell RNA sequencing on XY mouse gonads during sex determination, we identified a single population of somatic progenitor cells prior sex determination. A subset of these progenitors differentiate into Sertoli cells, a process characterized by a highly dynamic genetic program consisting of sequential waves of gene expression. Another subset of multipotent cells maintains their progenitor state but undergo significant transcriptional changes that restrict their competence towards a steroidogenic fate required for the differentiation of fetal Leydig cells. These results question the dogma of the existence of two distinct somatic cell lineages at the onset of sex determination and propose a new model of lineage specification from a unique progenitor cell population.

Acute myeloid leukemia (AML) is a particularly aggressive blood cancer that is difficult to treat because of the incomplete eradication of rare blast cells that possess self-renewal and leukemia-initiating properties. To characterize resistant blasts, we analyzed for the first time the transcriptomes of individual CD34+/CD38- blasts by single-cell mRNA sequencing of 359 CD33+/CD34+/CD38-/+ sorted cells from two patients with AML and four unaffected individuals. We demonstrated that the captured blasts possess the transcriptomic hallmarks of self-renewal and leukemia-initiating ability. The effects of somatic mutations on the cancer cells are visible at the transcriptional level, and the cellular signaling pathway activity of the blasts is altered, revealing disease-associated gene networks. We also identified a core set of transcription factors that were co-activated in blasts, which suggests a joint transcription program among blasts. Finally, we revealed that leukemogenesis and putative prognostic gene-expression signatures are present at diagnosis in leukemic CD33+/CD34+/CD38- cells and can be detected using a single-cell RNA sequencing approach.

ABSTRACT High-impact pathogenic variants in more than 1,000 protein-coding genes cause Mendelian forms of neurodevelopmental disorders (NDD), including the newly reported AGO2 gene. This study describes the molecular and clinical characterization of 28 probands with NDD harboring heterozygous AGO1 coding variants. De novo status was always confirmed when parents were available (26/28). A total of 15 unique variants leading to amino acid changes or deletions were identified: 12 missense variants, two in-frame deletions of one codon, and one canonical splice variant leading to a deletion of two amino acid residues. Some variants were recurrently identified in several unrelated individuals: p.(Phe180del), p.(Leu190Pro), p.(Leu190Arg), p.(Gly199Ser), p.(Val254Ile) and p.(Glu376del). AGO1 encodes the Argonaute 1 protein, which functions in gene-silencing pathways mediated by small non-coding RNAs. Three-dimensional protein structure predictions suggest that these variants might alter the flexibility of the AGO1 linkers domains, which likely would impair its function in mRNA processing. Affected individuals present with intellectual disability of varying severity, as well as speech and motor delay, autistic behavior and additional behavioral manifestations. Our study establishes that de novo coding variants in AGO1 are involved in a novel monogenic form of NDD, highly similar to AGO2 phenotype.