SUMMARY Many species throughout the animal kingdom naturally regenerate complex body parts following amputation. Most research in appendage regeneration has focused on identifying mechanisms that influence cell behaviors in the remaining stump tissue, immediately adjacent to the injury site. Roles for activation steps that occur outside of the injury site remain largely unexplored, yet they may be critical for successful regeneration. Here, we discovered a role for adrenaline in stimulating a body-wide stem cell activation response to amputation that drives limb regeneration. Notably, this systemic response is mediated by engagement of the peripheral nervous system (PNS) and adrenergic signaling at both the injury site and in distant, uninjured tissues. This work challenges the predominant conceptual framework considering the injury site alone in the regenerative response, arguing instead for body-wide stem cell activation as a priming step upon which molecular cues at the injury site then build tissue.

Sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli to the central nervous system. Single-cell RNA sequencing has provided insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, nonhuman primates, and humans, but it remains difficult to compare cell types across studies and species. We thus constructed harmonized atlases of the DRG and TG that describe and facilitate comparison of 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across six species and 31 datasets. We then performed single-cell/nucleus RNA sequencing of DRG from both human and the highly regenerative axolotl and found that the harmonized atlas also improves cell type annotation, particularly of sparse neuronal subtypes. We observed that the transcriptomes of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The resources presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell-type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future analgesic development.

Abstract Peripheral sensory neurons in the dorsal root ganglion (DRG) and trigeminal ganglion (TG) are specialized to detect and transduce diverse environmental stimuli including touch, temperature, and pain to the central nervous system. Recent advances in single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) have provided new insights into the diversity of sensory ganglia cell types in rodents, non-human primates, and humans, but it remains difficult to compare transcriptomically defined cell types across studies and species. Here, we built cross-species harmonized atlases of DRG and TG cell types that describe 18 neuronal and 11 non-neuronal cell types across 6 species and 19 studies. We then demonstrate the utility of this harmonized reference atlas by using it to annotate newly profiled DRG nuclei/cells from both human and the highly regenerative axolotl. We observe that the transcriptomic profiles of sensory neuron subtypes are broadly similar across vertebrates, but the expression of functionally important neuropeptides and channels can vary notably. The new resources and data presented here can guide future studies in comparative transcriptomics, simplify cell type nomenclature differences across studies, and help prioritize targets for future pain therapy development.