ABSTRACT Numerous techniques have been employed to deconstruct the heterogeneity observed in normal and diseased cellular populations, including single cell RNA sequencing, in situ hybridization, and flow cytometry. While these approaches have revolutionized our understanding of heterogeneity, in isolation they cannot correlate phenotypic information within a physiologically relevant live-cell state, with molecular profiles. This inability to integrate a historical live-cell phenotype, such as invasiveness, cell:cell interactions, and changes in spatial positioning, with multi-omic data, creates a gap in understanding cellular heterogeneity. We sought to address this gap by employing lab technologies to design a detailed protocol, termed Spatiotemporal Genomics and Cellular Analysis (SaGA), for the precise imaging-based selection, isolation, and expansion of phenotypically distinct live-cells. We begin with cells stably expressing a photoconvertible fluorescent protein and employ live cell confocal microscopy to photoconvert a user-defined single cell or set of cells displaying a phenotype of interest. The total population is then extracted from its microenvironment, and the optically highlighted cells are isolated using fluorescence activated cell sorting. SaGA-isolated cells can then be subjected to multi-omics analysis or cellular propagation for in vitro or in vivo studies. This protocol can be applied to a variety of conditions, creating protocol flexibility for user-specific research interests. The SaGA technique can be accomplished in one workday by non-specialists and results in a phenotypically defined cellular subpopulation for integration with multi-omics techniques. We envision this approach providing multi-dimensional datasets exploring the relationship between live-cell phenotype and multi-omic heterogeneity within normal and diseased cellular populations.

Abstract Craniofacial bone loss is a complex clinical problem with limited regenerative solutions. Currently, BMP2 is used as a bone-regenerative therapy in adults, but in pediatric cases of bone loss, it is not FDA-approved due to concerns of life-threatening inflammation and cancer. Development of a bone-regenerative therapy for children will transform our ability to reduce the morbidity associated with current autologous bone grafting techniques. We discovered that JAGGED1 (JAG1) induces cranial neural crest (CNC) cell osteoblast commitment during craniofacial intramembranous ossification, suggesting that exogenous JAG1 delivery is a potential craniofacial bone-regenerative approach. In this study, we found that JAG1 delivery using synthetic hydrogels containing O9-1 cells, a CNC cell line, into critical-sized calvarial defects in C57BL/6 mice provided robust bone-regeneration. Since JAG1 signals through canonical ( Hes1/Hey1 ) and non-canonical (JAK2) NOTCH pathways in CNC cells, we used RNAseq to analyze transcriptional pathways activated in CNC cells treated with JAG1±DAPT, a NOTCH-canonical pathway inhibitor. JAG1 upregulated expression of multiple NOTCH canonical pathway genes ( Hes1 ), which were downregulated in the presence of DAPT. JAG1 also induced bone chemokines ( Cxcl1 ), regulators of cytoskeletal organization and cell migration ( Rhou ), signaling targets (STAT5), promoters of early osteoblast cell proliferation ( Prl2c2, Smurf1 and Esrra ), and, inhibitors of osteoclasts ( Id1 ). In the presence of DAPT, expression levels of Hes1 and Cxcl1 were decreased, whereas, Prl2c2, Smurf1, Esrra, Rhou and Id1 remain elevated, suggesting that JAG1 induces osteoblast proliferation through these non-canonical genes. Pathway analysis of JAG1+DAPT-treated CNC cells revealed significant upregulation of multiple non-canonical pathways, including the cell cycle, tubulin pathway, regulators of Runx2 initiation and phosphorylation of STAT5 pathway. In total, our data show that JAG1 upregulates multiple pathways involved in osteogenesis, independent of the NOTCH canonical pathway. Moreover, our findings suggest that JAG1 delivery using a synthetic hydrogel, is a bone-regenerative approach with powerful translational potential.