Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis-regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generate the first single cell integrated map of chromatin accessibility and transcriptome in early embryos and demonstrate the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of "single cell state" and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

Abstract Integrative analysis of multi-omics layers at single cell level is critical for accurate dissection of cell-to-cell variation within certain cell populations. Here we report scCAT-seq, a technique for simultaneously assaying chromatin accessibility and the transcriptome within the same single cell. We show that the combined single cell signatures enable accurate construction of regulatory relationships between cis -regulatory elements and the target genes at single-cell resolution, providing a new dimension of features that helps direct discovery of regulatory patterns specific to distinct cell identities. Moreover, we generated the first single cell integrated maps of chromatin accessibility and transcriptome in human pre-implantation embryos and demonstrated the robustness of scCAT-seq in the precise dissection of master transcription factors in cells of distinct states during embryo development. The ability to obtain these two layers of omics data will help provide more accurate definitions of “single cell state” and enable the deconvolution of regulatory heterogeneity from complex cell populations.

Background: Several animal and human studies have demonstrated that sex affects kinetics and metabolism during early embryo development. However, the mechanism governing these differences at the molecular level is unknown, warranting a systematic profiling of gene expression in males and females during embryogenesis. Findings: We performed comprehensive analyses of gene expression comparing male and female embryos using available single-cell RNA-sequencing data of 1607 individual cells from 99 human preimplantation embryos, covering development stages from 4-cell to late blastocyst (E2 to E7). Consistent chromosome-wide transcription of autosomes was observed, while sex chromosomes showed significant differences after embryonic genome activation (EGA). Differentially expressed genes (DE genes) in male and female embryos mainly involved in the cell cycle, protein translation and metabolism. The Y chromosome was initially activated by pioneer genes, RPS4Y1 and DDX3Y, while the two X chromosomes in female were widely activated after EGA. Expression of X-linked genes in female significantly declined at the late blastocyst stage, especially in trophectoderm cells, revealing a rapid process of dosage compensation. Conclusions: We observed imbalanced expression from sex chromosomes in male and female embryos during EGA, with dosage compensation occurring first in female trophectoderm cells. Studying the effect of sex differences during human embryogenesis, as well as understanding the mechanism of X chromosome inactivation and its correlation with early miscarriage, will provide a basis for advancing assisted reproductive technology (ART) and thereby improve the treatment of infertility and possibly enhance reproductive health. Key words: single-cell RNA-seq, embryogenesis, sex differences, dosage compensation