Summary

 Germ cells are vital for transmitting genetic information from one generation to the next and for maintaining the continuation of species. Here, we analyze the transcriptome of human primordial germ cells (PGCs) from the migrating stage to the gonadal stage at single-cell and single-base resolutions. Human PGCs show unique transcription patterns involving the simultaneous expression of both pluripotency genes and germline-specific genes, with a subset of them displaying developmental-stage-specific features. Furthermore, we analyze the DNA methylome of human PGCs and find global demethylation of their genomes. Approximately 10 to 11 weeks after gestation, the PGCs are nearly devoid of any DNA methylation, with only 7.8% and 6.0% of the median methylation levels in male and female PGCs, respectively. Our work paves the way toward deciphering the complex epigenetic reprogramming of the germline with the aim of restoring totipotency in fertilized oocytes.

Human fetal germ cells (FGCs) are precursors to sperm and eggs and are crucial for maintenance of the species. However, the developmental trajectories and heterogeneity of human FGCs remain largely unknown. Here we performed single-cell RNA-seq analysis of over 2,000 FGCs and their gonadal niche cells in female and male human embryos spanning several developmental stages. We found that female FGCs undergo four distinct sequential phases characterized by mitosis, retinoic acid signaling, meiotic prophase, and oogenesis. Male FGCs develop through stages of migration, mitosis, and cell-cycle arrest. Individual embryos of both sexes simultaneously contain several subpopulations, highlighting the asynchronous and heterogeneous nature of FGC development. Moreover, we observed reciprocal signaling interactions between FGCs and their gonadal niche cells, including activation of the bone morphogenic protein (BMP) and Notch signaling pathways. Our work provides key insights into the crucial features of human FGCs during their highly ordered mitotic, meiotic, and gametogenetic processes in vivo.

The heart is the central organ of the circulatory system, and its proper development is vital for maintaining human life. Here, we used single-cell RNA sequencing to profile the gene expression landscapes of ∼4,000 cardiac cells from human embryos and identified four major types of cells: cardiomyocytes (CMs), cardiac fibroblasts, endothelial cells (ECs), and valvar interstitial cells (VICs). Atrial and ventricular CMs acquired distinct features early in heart development. Furthermore, both CMs and fibroblasts show stepwise changes in gene expression. As development proceeds, VICs may be involved in the remodeling phase, and ECs display location-specific characteristics. Finally, we compared gene expression profiles between humans and mice and identified a series of unique features of human heart development. Our study lays the groundwork for elucidating the mechanisms of in vivo human cardiac development and provides potential clues to understand cardiac regeneration.

Circular RNAs (circRNAs) are a new class of non-polyadenylated non-coding RNAs that may play important roles in many biological processes. Here we develop a single-cell universal poly(A)-independent RNA sequencing (SUPeR-seq) method to sequence both polyadenylated and non-polyadenylated RNAs from individual cells. This method exhibits robust sensitivity, precision and accuracy. We discover 2891 circRNAs and 913 novel linear transcripts in mouse preimplantation embryos and further analyze the abundance of circRNAs along development, the function of enriched genes, and sequence features of circRNAs. Our work is key to deciphering regulation mechanisms of circRNAs during mammalian early embryonic development.

Spermatogenesis generates mature male gametes and is critical for the proper transmission of genetic information between generations. However, the developmental landscapes of human spermatogenesis remain unknown. Here, we performed single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis for 2,854 testicular cells from donors with normal spermatogenesis and 174 testicular cells from one nonobstructive azoospermia (NOA) donor. A hierarchical model was established, which was characterized by the sequential and stepwise development of three spermatogonia subtypes, seven spermatocyte subtypes, and four spermatid subtypes. Further analysis identified several stage-specific marker genes of human germ cells, such as HMGA1, PIWIL4, TEX29, SCML1, and CCDC112. Moreover, we identified altered gene expression patterns in the testicular somatic cells of one NOA patient via scRNA-seq analysis, paving the way for further diagnosis of male infertility. Our work allows for the reconstruction of transcriptional programs inherent to sequential cell fate transition during human spermatogenesis and has implications for deciphering male-related reproductive disorders.

Objectives Understanding the molecular mechanisms underlying human cartilage degeneration and regeneration is helpful for improving therapeutic strategies for treating osteoarthritis (OA). Here, we report the molecular programmes and lineage progression patterns controlling human OA pathogenesis using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). Methods We performed unbiased transcriptome-wide scRNA-seq analysis, computational analysis and histological assays on 1464 chondrocytes from 10 patients with OA undergoing knee arthroplasty surgery. We investigated the relationship between transcriptional programmes of the OA landscape and clinical outcome using severity index and correspondence analysis. Results We identified seven molecularly defined populations of chondrocytes in the human OA cartilage, including three novel phenotypes with distinct functions. We presented gene expression profiles at different OA stages at single-cell resolution. We found a potential transition among proliferative chondrocytes, prehypertrophic chondrocytes and hypertrophic chondrocytes (HTCs) and defined a new subdivision within HTCs. We revealed novel markers for cartilage progenitor cells (CPCs) and demonstrated a relationship between CPCs and fibrocartilage chondrocytes using computational analysis. Notably, we derived predictive targets with respect to clinical outcomes and clarified the role of different cell types for the early diagnosis and treatment of OA. Conclusions Our results provide new insights into chondrocyte taxonomy and present potential clues for effective and functional manipulation of human OA cartilage regeneration that could lead to improved health.

Brain tumors are among the most challenging human tumors for which the mechanisms driving progression and heterogeneity remain poorly understood. We combined single-cell RNA-seq with multisector biopsies to sample and analyze single-cell expression profiles of gliomas from 13 Chinese patients. After classifying individual cells, we generated a spatial and temporal landscape of glioma that revealed the patterns of invasion between the different sub-regions of gliomas. We also used single-cell inferred CNVs and pseudotime trajectories to inform on the crucial branches that dominate tumor progression. The dynamic cell components of the multi-region biopsy analysis allowed us to spatially deconvolute with unprecedented accuracy the transcriptomic features of the core and those of the periphery of glioma at single cell level. Through this rich and geographically detailed dataset, we were also able to characterize and construct the chemokine and chemokine receptor interactions that exist among different tumor and non-tumor cells. This study provides the first spatial-level analysis of the cellular states that characterize human gliomas. It also presents an initial molecular map of the crosstalks between glioma cells and the surrounding microenvironment with single cell resolution.

Abstract The conversion of DNA 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by TET enzymes represents a significant epigenetic modification, yet its role in early human embryos remains largely unknown. Here we showed that the early human embryo inherited a significant amount of 5hmCs from an oocyte, which unexpectedly underwent de novo hydroxymethylation during its growth. Furthermore, the generation of 5hmC in the paternal genome after fertilization roughly followed the maternal pattern, which was linked to DNA methylation dynamics and regions of sustained methylation. The 5hmCs persisted until the eight-cell stage and exhibited high enrichment at OTX2 binding sites, whereas knockdown of OTX2 in human embryos compromised the expression of early lineage genes. Specifically, the depletion of 5hmC affected the activation of embryonic genes, which was further evaluated by ectopically expressing mouse Tet3 in human early embryos. These findings revealed distinct dynamics of 5hmC and unravelled its multifaceted functions in early human embryonic development.

Hematopoietic stem cells (HSCs) in adults are believed to be born from hemogenic endothelial cells (HECs) in mid-gestational mouse embryos. Due to rare and transient nature, the HSC-competent ECs have never been stringently identified and accurately captured, let alone their genuine vasculature precursors. Here, we firstly used high-precision single-cell transcriptomics to unbiasedly examine relevant EC populations at continuous developmental stages and transcriptomically identified putative HSC-primed HECs. Combining computational prediction and in vivo functional validation, we precisely captured HSC-competent HECs by newly constructed Neurl3-EGFP reporter mouse model, and realized enrichment further by surface marker combination. Surprisingly, endothelial-haematopoietic bi-potential was rarely but reliably witnessed in culture of single HECs. Noteworthy, primitive vascular ECs experienced two-step fate choices to become HSC-primed HECs, resolving several previously observed contradictions. Taken together, comprehensive understanding of endothelial evolutions and molecular programs underlying HSC-primed HEC specification in vivo will facilitate future investigations directing HSC production in vitro.

Germ cell fate is believed to be determined by the signaling from sexually differentiated somatic cell. However, the molecular mechanism remains elusive. In this study, ectopic initiation of meiosis in male germ cells was observed during embryonic stage by over-activating CTNNB1 in Sertoli cells. Somatic cell transcriptome and single germ cell RNA-seq analysis indicated that TGF-β signaling was activated after CTNNB1 over-activation. In vitro and in vivo experiments confirmed somatic cell-derived BMPs played crucial roles in germ cell meiosis initiation. Further studies revealed that Dazl was significantly increased in germ cells of CTNNB1 over-activated testes and induced by BMP signaling. DNMT3a and DNA methylation was also reduced in germ cells of CTNNB1 over-activated testes and inreased by BMP signaling inhibitor treatment Taken together, this study demonstrates that germ cell fate could be reprogrammed after sex determination. BMP signaling pathway is involved in germ cell meiosis initiation via up-regulating Dazl expression.