The COVID-19 pandemic is an ongoing global health threat, yet our understanding of the dynamics of early cellular responses to this disease remains limited

Human embryonic bone and joint formation is determined by coordinated differentiation of progenitors in the nascent skeleton. The cell states, epigenetic processes and key regulatory factors that underlie lineage commitment of these cells remain elusive. Here we applied paired transcriptional and epigenetic profiling of approximately 336,000 nucleus droplets and spatial transcriptomics to establish a multi-omic atlas of human embryonic joint and cranium development between 5 and 11 weeks after conception. Using combined modelling of transcriptional and epigenetic data, we characterized regionally distinct limb and cranial osteoprogenitor trajectories across the embryonic skeleton and further described regulatory networks that govern intramembranous and endochondral ossification. Spatial localization of cell clusters in our in situ sequencing data using a new tool, ISS-Patcher, revealed mechanisms of progenitor zonation during bone and joint formation. Through trajectory analysis, we predicted potential non-canonical cellular origins for human chondrocytes from Schwann cells. We also introduce SNP2Cell, a tool to link cell-type-specific regulatory networks to polygenic traits such as osteoarthritis. Using osteolineage trajectories characterized here, we simulated in silico perturbations of genes that cause monogenic craniosynostosis and implicate potential cell states and disease mechanisms. This work forms a detailed and dynamic regulatory atlas of bone and cartilage maturation and advances our fundamental understanding of cell-fate determination in human skeletal development.

Abstract The gastrointestinal tract is a multi-organ system crucial for efficient nutrient uptake and barrier immunity. Advances in genomics and a surge in gastrointestinal diseases 1,2 has fuelled efforts to catalogue cells constituting gastrointestinal tissues in health and disease 3 . Here we present systematic integration of 25 single-cell RNA sequencing datasets spanning the entire healthy gastrointestinal tract in development and in adulthood. We uniformly processed 385 samples from 189 healthy controls using a newly developed automated quality control approach (scAutoQC), leading to a healthy reference atlas with approximately 1.1 million cells and 136 fine-grained cell states. We anchor 12 gastrointestinal disease datasets spanning gastrointestinal cancers, coeliac disease, ulcerative colitis and Crohn’s disease to this reference. Utilizing this 1.6 million cell resource (gutcellatlas.org), we discover epithelial cell metaplasia originating from stem cells in intestinal inflammatory diseases with transcriptional similarity to cells found in pyloric and Brunner’s glands. Although previously linked to mucosal healing 4 , we now implicate pyloric gland metaplastic cells in inflammation through recruitment of immune cells including T cells and neutrophils. Overall, we describe inflammation-induced changes in stem cells that alter mucosal tissue architecture and promote further inflammation, a concept applicable to other tissues and diseases.

Abstract Bone and joint formation in the developing skeleton rely on co-ordinated differentiation of progenitors in the nascent developing limbs and joints. The cell states, epigenetic processes and key regulatory factors underlying their lineage commitment to osteogenic and other mesenchymal populations during ossification and joint formation remain poorly understood and are largely unexplored in human studies. Here, we apply paired single-nuclei transcriptional and epigenetic profiling of 336,000 droplets, in addition to spatial transcriptomics, to construct a comprehensive atlas of human bone, cartilage and joint development in the shoulder, hip, knee and cranium from 5 to 11 post-conception weeks. Spatial mapping of cell clusters to our highly multiplexed in situ sequencing (ISS) data using our newly developed tool ISS-Patcher revealed new cellular mechanisms of zonation during bone and joint formation. Combined modelling of chromatin accessibility and RNA expression allowed the identification of the transcriptional and epigenetic regulatory landscapes that drive differentiation of mesenchymal lineages including osteogenic and chondrogenic lineages, and novel chondrocyte cell states. In particular, we define regionally distinct limb and cranial osteoprogenitor populations and trajectories across the fetal skeleton and characterise differential regulatory networks that govern intramembranous and endochondral ossification. We also introduce SNP2Cell, a tool to link cell-type specific regulatory networks to numerous polygenic traits such as osteoarthritis. We also conduct in silico perturbations of genes that cause monogenic craniosynostosis and implicate potential pathogenic cell states and disease mechanisms involved. This work forms a detailed and dynamic regulatory atlas of human fetal skeletal maturation and advances our fundamental understanding of cell fate determination in human skeletal development.