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.

Placenta play essential role in successful pregnancy, as the most important organ connecting and interplaying between mother and fetus. However, the cellular and molecular characteristics of fetal origin and maternal origin cell populations within the fetomaternal interface still is poorly understood. Here, we profiled the transcriptomes of single cells with well-defined maternal-fetal origin that consecutively localized from fetal section (FS), middle section (Mid_S) to maternal section (Mat_S) within the human full-term placenta. Then, we initially identified the cellular and molecular heterogeneity of cytotrophoblast cell (CTB) and stromal cell (STR) with the spatial location and fetal/maternal origin, also highlighted STR cells from fetal origins showed greater proliferation ability in Mat_S compared to cells from FS or Mid_S. Further, by integrating analysis with the first-trimester placental single cell transcriptome data, we revealed that a subpopulation of trophoblast progenitor-like cells (TPLCs) existed in the full-term placenta and mainly distributed in Mid_S, with high expression of pool of putative cell surface makers and unique molecular features. Moreover, through the extravillous cytotrophoblast (EVT) subsets differentiation trajectory and regulation network analysis, we proposed a putative key transcription factor PRDM6 that promoted the differentiation of endovascular extravillous trophoblast cells (enEVT). Finally, based on the integrated analyses of single cell transcriptional profiling of preeclampsia (PE) and match-trimester normal placenta, we highlighted the defective EVT subgroup composition and down-regulation of PRDM6 may lead to an abnormal enEVT differentiation process in PE. Together, our study offers important resources for better understanding of human placenta, stem cell-based therapy as well as PE, and provides new insights on the study of tissue heterogeneity, the clinical prevention and control of PE as well as the maternal-fetal interface.

Human mesenchymal stem cells (hMSCs) are widely used in clinical research because of their multipotential, immunomodulatory, and reparative properties. Previous studies determined that hMSC spheroids from three-dimensional (3D) culture possess higher therapeutic efficacy than conventional hMSCs from monolayer (2D) culture. To date, various 3D culture methods have been developed to form hMSC spheroids, but most of them used culture medium containing fetal bovine serum (FBS), which is not suitable for further clinical use. Here, we demonstrate that dissociated single MSCs seeded in induced pluripotent stems medium (MiPS), adhere loosely to the dish and spontaneously migrate to form spheroids during day 3 to day 6. Through component deletion screening and complementation experiments, the knockout serum replacement (KSR) was identified as necessary and sufficient for hMSC spheroid formation. Transcriptome analysis showed that the overall expression profiles were highly similar between 2D culture with FBS and KSR derived spheroids. Interestingly, genes related to inflammatory response, immune response, and angiogenesis were up-regulated in spheroids at day 6, and qPCR results further validated the increased expression level of related genes, including STC1, CCL7, HGF, IL24 , and TGFB3 . When spheroids were re-plated in normal FBS medium, cells formed a typical spindle-shaped morphology, and FACS results showed that the recovered cells retained MSC-specific surface markers, such as CD73, CD90, and CD105. In summary, we developed a practical and convenient method to generate hMSC spheroids for clinical research and therapy.

Background: Investigating cell fate decision and subpopulation specification in the context of the neural lineage is fundamental to understanding neurogenesis and neurodegenerative diseases. The differentiation process of neural-tube-like rosettes in vitro is representative of neural tube structures, which are composed of radially organized, columnar epithelial cells and give rise to functional neural cells. However, the underlying regulatory network of cell fate commitment during early neural differentiation remains elusive. Results: In this study, we investigated the genome-wide transcriptome profile of single cells from six consecutive reprogramming and neural differentiation time points and identified cellular subpopulations present at each differentiation stage. Based on the inferred reconstructed trajectory and the characteristics of subpopulations contributing the most towards commitment to the central nervous system (CNS) lineage at each stage during differentiation, we identified putative novel transcription factors in regulating neural differentiation. In addition, we dissected the dynamics of chromatin accessibility at the neural differentiation stages and revealed active cis-regulatory elements for transcription factors known to have a key role in neural differentiation as well as for those that we suggest are also involved. Further, communication network analysis demonstrated that cellular interactions most frequently occurred among embryoid body (EB) stage and each cell subpopulation possessed a distinctive spectrum of ligands and receptors associated with neural differentiation which could reflect the identity of each subpopulation. Conclusions: Our study provides a comprehensive and integrative study of the transcriptomics and epigenetics of human early neural differentiation, which paves the way for a deeper understanding of the regulatory mechanisms driving the differentiation of the neural lineage. Key words: single cell RNA-seq, ATAC-seq, neural differentiation, neural rosettes, neural tube, transcription factor, iPSCs