Abstract The discovery that somatic cells can be reprogrammed to induced pluripotent stem cells (iPSCs) - cells that can be differentiated into any cell type of the three germ layers - has provided a foundation for in vitro human disease modelling 1,2 , drug development 1,2 , and population genetics studies 3,4 . In the majority of instances, the expression levels of genes, plays a critical role in contributing to disease risk, or the ability to identify therapeutic targets. However, while the effect of the genetic background of cell lines has been shown to strongly influence gene expression, the effect has not been evaluated at the level of individual cells. Differences in the effect of genetic variation on the gene expression of different cell-types, would provide significant resolution for in vitro research using preprogramed cells. By bringing together single cell RNA sequencing 15–21 and population genetics, we now have a framework in which to evaluate the cell-types specific effects of genetic variation on gene expression. Here, we performed single cell RNA-sequencing on 64,018 fibroblasts from 79 donors and we mapped expression quantitative trait loci (eQTL) at the level of individual cell types. We demonstrate that the large majority of eQTL detected in fibroblasts are specific to an individual sub-type of cells. To address if the allelic effects on gene expression are dynamic across cell reprogramming, we generated scRNA-seq data in 19,967 iPSCs from 31 reprogramed donor lines. We again identify highly cell type specific eQTL in iPSCs, and show that that the eQTL in fibroblasts are almost entirely disappear during reprogramming. This work provides an atlas of how genetic variation influences gene expression across cell subtypes, and provided evidence for patterns of genetic architecture that lead to cell-types specific eQTL effects.

Abstract Induced pluripotent stem cells generated from patients with geographic atrophy as well as healthy individuals were differentiated to retinal pigment epithelium (RPE) cells. By integrating transcriptional profiles of 127,659 RPE cells generated from 43 individuals with geographic atrophy and 36 controls with genotype data, we identified 439 expression Quantitative Trait (eQTL) loci in cis that were associated with disease status and specific to subpopulations of RPE cells. We identified loci linked to two genes with known associations with geographic atrophy - PILRB and PRPH2, in addition to 43 genes with significant genotype x disease interactions that are candidates for novel genetic associations for geographic atrophy. On a transcriptome-only level, we identified molecular pathways significantly upregulated in geographic atrophy-RPE including in extracellular cellular matrix reorganisation, neurodegeneration, and mitochondrial functions. We subsequently implemented a large-scale proteomics analysis, confirming modification in proteins associated with these pathways. We also identified six significant protein (p) QTL that regulate protein expression in the RPE cells and in geographic atrophy - two of which share variants with cis-eQTL. Transcriptome-wide association analysis identified genes at loci previously associated with age-related macular degeneration. Further analysis conditional on disease status, implicated statistically significant RPE-specific eQTL. This study uncovers important differences in RPE homeostasis associated with geographic atrophy.

Abstract The mechanisms by which DNA alleles contribute to disease risk, drug response, and other human phenotypes are highly context-specific, varying across cell types and under different conditions. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are uniquely suited to study these context-dependent effects, but to do so requires cell lines from hundreds or potentially thousands of individuals. Village cultures, where multiple hiPSC lines are cultured and differentiated together in a single dish, provide an elegant solution for scaling hiPSC experiments to the necessary sample sizes required for population-scale studies. Here, we show the utility of village models, demonstrating how cells can be assigned back to a donor line using single cell sequencing, and addressing whether line-specific signaling alters the transcriptional profiles of companion lines in a village culture. We generated single cell RNA sequence data from hiPSC lines cultured independently (uni-culture) and in villages at three independent sites. We show that the transcriptional profiles of hiPSC lines are highly consistent between uni- and village cultures for both fresh (0.46 < R < 0.88) and cryopreserved samples (0.46 < R < 0.62). Using a mixed linear model framework, we estimate that the proportion of transcriptional variation across cells is predominantly due to donor effects, with minimal evidence of variation due to culturing in a village system. We demonstrate that the genetic, epigenetic or hiPSC line-specific effects on gene expression are consistent whether the lines are uni- or village-cultured (0.82 < R < 0.94). Finally, we identify the consistency in the landscape of cell states between uni- and village-culture systems. Collectively, we demonstrate that village methods can be effectively used to detect hiPSC line-specific effects including sensitive dynamics of cell states.

ABSTRACT To assess the transcriptomic profile of disease-specific cell populations, fibroblasts from patients with primary open-angle glaucoma (POAG) were reprogrammed into induced pluripotent stem cells (iPSCs) before being differentiated into retinal organoids and compared to those from healthy individuals. We performed single-cell RNA-sequencing of a total of 330,569 cells and identified cluster-specific molecular signatures. Comparing the gene expression profile between cases and controls, we identified novel genetic associations for this blinding disease. Expression quantitative trait mapping identified a total of 2,235 significant loci across all cell types, 58 of which are specific to the retinal ganglion cell subpopulations, which ultimately degenerate in POAG. Transcriptome-wide association analysis identified genes at loci previously associated with POAG, and analysis, conditional on disease status, implicated 54 statistically significant retinal ganglion cell-specific expression quantitative trait loci. This work highlights the power of large-scale iPSC studies to uncover context-specific profiles for a genetically complex disease.

Summary Apolipoprotein E (APOE) is the most important susceptibility gene for late onset of Alzheimer’s disease, with the presence of APOE-ε4 associated with increased risk of developing Alzheimer’s disease. Here, we reprogrammed human fibroblasts from individuals with different APOE-ε genotypes into induced pluripotent stem cells, and generated isogenic lines with different APOE profiles. We then differentiated these into cerebral organoids for six months and assessed the suitability of this in vitro system to measure APOE, β amyloid, and Tau phosphorylation levels. We identified intra- and inter-variabilities in the organoids’ cell composition. Using the CRISPR-edited APOE isogenic lines, we observed more homogenous cerebral organoids, and similar levels of APOE, β amyloid, and Tau between the isogenic lines, with the exception of one site of Tau phosphorylation which was higher in the APOE-ε4/ε4 organoids. These data describe that pathological hallmarks of AD are observed in cerebral organoids, and that their variation is mainly independent of the APOE-ε status of the cells, but associated with the high variability of cerebral organoid differentiation. It demonstrates that the batch-to-batch and cell-line-to-cell-line variabilities need to be considered when using cerebral organoids.

We used human embryonic stem cell-derived retinal ganglion cells (RGCs) to characterize the transcriptome of 1,174 cells at the single cell level. The human embryonic stem cell line BRN3B-mCherry A81-H7 was differentiated to RGCs using a guided differentiation approach. Cells were harvested at day 36 and subsequently prepared for single cell RNA sequencing. Our data indicates the presence of three distinct subpopulations of cells, with various degrees of maturity. One cluster of 288 cells upregulated genes involved in axon guidance together with semaphorin interactions, cell-extracellular matrix interactions and ECM proteoglycans, suggestive of a more mature phenotype.

Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) have tremendous potential for development of regenerative medicine, disease modelling and drug discovery. However, the processes of reprogramming, maintenance and differentiation are labour intensive and subject to inter-technician variability. To address these issues, we established and optimised protocols to allow for the automated maintenance of reprogrammed somatic cells into iPSCs to enable the large-scale culture and passaging of human pluripotent stem cells (PSCs) using a customized TECAN Freedom EVO. Generation of iPSCs was performed offline by nucleofection followed by selection of TRA-1-60 positive cells using a Miltenyi MultiMACS24 Separator. Pluripotency markers were assessed to confirm pluripotency of the generated iPSCs. Passaging was performed using an enzyme-free dissociation method. Proof of concept of differentiation was obtained by differentiating human PSCs into cells of the retinal lineage. Key advantages of this automated approach are the ability to increase sample size, reduce variability during reprogramming or differentiation, and enable medium to high-throughput analysis of human PSCs and derivatives. These techniques will become increasingly important with the emergence of clinical trials using stem cells.

PURPOSE: CRISPR/Cas has recently been adapted to enable efficient editing of the mammalian genome, opening novel avenues for therapeutic intervention of inherited diseases. In seeking to disrupt Yellow Fluorescent Protein (YFP) in a Thy1-YFP transgenic mouse, we assessed the feasibility of utilising the adeno-associated virus 2 (AAV2) to deliver CRISPR/Cas for genome modification of retinal cells in vivo. METHODS: sgRNA plasmids were designed to target YFP and after in vitro validation, selected guides were cloned into a dual AAV system. One AAV2 construct was used to deliver SpCas9 and the other delivered sgRNA against YFP or LacZ (control) in the presence of mCherry. Five weeks after intravitreal injection, retinal function was determined using electroretinography and CRISPR/Cas-mediated gene modifications were quantified in retinal flat mounts. RESULTS: AAV2-mediated in vivo delivery of SpCas9 with sgRNA targeting YFP, significantly reduced the number of YFP fluorescent cells of the inner retina of our transgenic mouse model. Overall, we found an 84.0% (95% CI: 81.8-86.9) reduction of YFP-positive cells in YFP-sgRNA infected retinal cells compared to eyes treated with LacZ-sgRNA. Electroretinography profiling found no significant alteration in retinal function following AAV2-mediated delivery of CRISPR/Cas components compared to contralateral untreated eyes. CONCLUSIONS: Thy1-YFP transgenic mice were used as a rapid quantifiable means to assess the efficacy of CRISPR/Cas-based retinal gene modification in vivo. We demonstrate that genomic modification of cells in the adult retina can be readily achieved by viral mediated delivery of CRISPR/Cas.

The libraries generated by high-throughput single cell RNA-sequencing platforms such as the Chromium from 10x Genomics require considerable amounts of sequencing, typically due to the large number of cells. The ability to use this data to address biological questions is directly impacted by the quality of the sequence data. Here we have compared the performance of the Illumina NextSeq 500 and NovaSeq 6000 against the BGI MGISEQ-2000 platform using identical Single Cell libraries consisting of over 70,000 cells. Our results demonstrate a highly comparable performance between the NovaSeq 6000 and MGISEQ-2000 in sequencing quality, and cell, UMI, and gene detection. However, compared with the NextSeq 500, the MGISEQ- 2000 platform performs consistently better, identifying more cells, genes, and UMIs at equalised read depth. We were able to call an additional 1,065,659 SNPs from sequence data generated by the BGI platform, enabling an additional 14% of cells to be assigned to the correct donor from a multiplexed library. However, both the NextSeq 500 and MGISEQ-2000 detected similar frequencies of gRNAs from a pooled CRISPR single cell screen. Our study provides a benchmark for high capacity sequencing platforms applied to high-throughput single cell RNA-seq libraries.