Neuronal types in the central nervous system differ dramatically in their resilience to injury or other insults. Here we studied the selective resilience of mouse retinal ganglion cells (RGCs) following optic nerve crush (ONC), which severs their axons and leads to death of ∼80% of RGCs within 2 weeks. To identify expression programs associated with differential resilience, we first used single-cell RNA-seq (scRNA-seq) to generate a comprehensive molecular atlas of 46 RGC types in adult retina. We then tracked their survival after ONC; characterized transcriptomic, physiological, and morphological changes that preceded degeneration; and identified genes selectively expressed by each type. Finally, using loss- and gain-of-function assays in vivo, we showed that manipulating some of these genes improved neuronal survival and axon regeneration following ONC. This study provides a systematic framework for parsing type-specific responses to injury and demonstrates that differential gene expression can be used to reveal molecular targets for intervention.

Highlights•Macaque fovea and peripheral retina each contain >65 cell types•Most types correspond between regions but differ in proportions and gene expression•Greater conservation of interneuron than ganglion cell types between macaque and mouse•Cell-type- and region-specific expression of genes implicated in human blindnessSummaryHigh-acuity vision in primates, including humans, is mediated by a small central retinal region called the fovea. As more accessible organisms lack a fovea, its specialized function and its dysfunction in ocular diseases remain poorly understood. We used 165,000 single-cell RNA-seq profiles to generate comprehensive cellular taxonomies of macaque fovea and peripheral retina. More than 80% of >60 cell types match between the two regions but exhibit substantial differences in proportions and gene expression, some of which we relate to functional differences. Comparison of macaque retinal types with those of mice reveals that interneuron types are tightly conserved. In contrast, projection neuron types and programs diverge, despite exhibiting conserved transcription factor codes. Key macaque types are conserved in humans, allowing mapping of cell-type and region-specific expression of >190 genes associated with 7 human retinal diseases. Our work provides a framework for comparative single-cell analysis across tissue regions and species.Graphical abstract

ABSTRACT Most irreversible blindness results from retinal disease. To advance our understanding of the etiology of blinding diseases, we used single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) to analyze the transcriptomes of ∼85,000 cells from the fovea and peripheral retina of seven adult human donors. Utilizing computational methods, we identified 58 cell types within 6 classes: photoreceptor, horizontal, bipolar, amacrine, retinal ganglion and non-neuronal cells. Nearly all types are shared between the two retinal regions, but there are notable differences in gene expression and proportions between foveal and peripheral cohorts of shared types. We then used the human retinal atlas to map expression of 636 genes implicated as causes of or risk factors for blinding diseases. Many are expressed in striking cell class-, type-, or region-specific patterns. Finally, we compared gene expression signatures of cell types between human and the cynomolgus macaque monkey, Macaca fascicularis . We show that over 90% of human types correspond transcriptomically to those previously identified in macaque, and that expression of disease-related genes is largely conserved between the two species. These results validate the use of the macaque for modeling blinding disease, and provide a foundation for investigating molecular mechanisms underlying visual processing.

Abstract Non-neuronal cells play key roles in the complex cellular interplay that follows central nervous system (CNS) insult. To understand this interplay at a tissue level, we generated a single-cell atlas of immune, glial and retinal pigment epithelial cells from adult mouse retina before and at multiple time points after axonal transection (optic nerve crush; ONC), identifying rare and undescribed subsets, and delineating changes in cell composition, expression programs, and interactions. Computational analysis charted an inflammatory cascade after injury with three phases. The early phase consisted of reactivation of retinal macroglia and microglia, providing chemotactic signals for immune infiltration, concurrent with infiltration of CCR2 + monocytes from the circulation. In the second phase, these differentiated to macrophage subsets resembling resident border-associated macrophages. In parallel, a multicellular interferon program, likely driven by microglia-derived type-I interferon, was synchronously activated across resident glia, expanding beyond rare interferon-responding subsets of glia unexpectedly present in the naïve retina. Our findings provide insights regarding post-injury CNS tissue dynamics and a framework to decipher cellular circuitry, spatial relationships and molecular interactions following tissue injury.

Increased intraocular pressure (IOP) represents a major risk factor for glaucoma, a prevalent eye disease characterized by death of retinal ganglion cells that carry information from the eye to the brain; lowering IOP is the only proven treatment strategy to delay disease progression. The main determinant of IOP is the equilibrium between production and drainage of aqueous humor, with compromised drainage generally viewed as the primary contributor to dangerous IOP elevations. Drainage occurs through two pathways in the anterior segment of the eye, called conventional and uveoscleral. To gain insights into the cell types that comprise these pathways, we used high-throughput single cell RNA sequencing (scRNA-seq). From ~24,000 single cell transcriptomes, we identified 19 cell types with molecular markers for each and used histological methods to localize each type. We then performed similar analyses on four organisms used for experimental studies of IOP dynamics and glaucoma: cynomolgus macaque (Macaca fascicularis), rhesus macaque (Macaca mulatta), pig (Sus scrofa) and mouse (Mus musculus). Many human cell types had counterparts in these models, but differences in cell types and gene expression were evident. Finally, we identified the cell types that express genes implicated in glaucoma in all five species. Together, our results provide foundations for investigating the pathogenesis of glaucoma, and for using model systems to assess mechanisms and potential interventions.

The COVID-19 pandemic, caused by the novel coronavirus SARS-CoV-2, creates an urgent need for identifying molecular mechanisms that mediate viral entry, propagation, and tissue pathology. Cell membrane bound angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) and associated proteases, transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2) and Cathepsin L (CTSL), were previously identified as mediators of SARS-CoV2 cellular entry. Here, we assess the cell type-specific RNA expression of ACE2, TMPRSS2, and CTSL through an integrated analysis of 107 single-cell and single-nucleus RNA-Seq studies, including 22 lung and airways datasets (16 unpublished), and 85 datasets from other diverse organs. Joint expression of ACE2 and the accessory proteases identifies specific subsets of respiratory epithelial cells as putative targets of viral infection in the nasal passages, airways, and alveoli. Cells that co-express ACE2 and proteases are also identified in cells from other organs, some of which have been associated with COVID-19 transmission or pathology, including gut enterocytes, corneal epithelial cells, cardiomyocytes, heart pericytes, olfactory sustentacular cells, and renal epithelial cells. Performing the first meta-analyses of scRNA-seq studies, we analyzed 1,176,683 cells from 282 nasal, airway, and lung parenchyma samples from 164 donors spanning fetal, childhood, adult, and elderly age groups, associate increased levels of ACE2, TMPRSS2, and CTSL in specific cell types with increasing age, male gender, and smoking, all of which are epidemiologically linked to COVID-19 susceptibility and outcomes. Notably, there was a particularly low expression of ACE2 in the few young pediatric samples in the analysis. Further analysis reveals a gene expression program shared by ACE2+TMPRSS2+ cells in nasal, lung and gut tissues, including genes that may mediate viral entry, subtend key immune functions, and mediate epithelial-macrophage cross-talk. Amongst these are IL6, its receptor and co-receptor, IL1R, TNF response pathways, and complement genes. Cell type specificity in the lung and airways and smoking effects were conserved in mice. Our analyses suggest that differences in the cell type-specific expression of mediators of SARS-CoV-2 viral entry may be responsible for aspects of COVID-19 epidemiology and clinical course, and point to putative molecular pathways involved in disease susceptibility and pathogenesis.### Competing Interest StatementN.K. was a consultant to Biogen Idec, Boehringer Ingelheim, Third Rock, Pliant, Samumed, NuMedii, Indaloo, Theravance, LifeMax, Three Lake Partners, Optikira and received non-financial support from MiRagen. All of these outside the work reported. J.L. is a scientific consultant for 10X Genomics Inc A.R. is a co-founder and equity holder of Celsius Therapeutics, an equity holder in Immunitas, and an SAB member of ThermoFisher Scientific, Syros Pharmaceuticals, Asimov, and Neogene Therapeutics O.R.R., is a co-inventor on patent applications filed by the Broad Institute to inventions relating to single cell genomics applications, such as in PCT/US2018/060860 and US Provisional Application No. 62/745,259. A.K.S. compensation for consulting and SAB membership from Honeycomb Biotechnologies, Cellarity, Cogen Therapeutics, Orche Bio, and Dahlia Biosciences. S.A.T. was a consultant at Genentech, Biogen and Roche in the last three years. F.J.T. reports receiving consulting fees from Roche Diagnostics GmbH, and ownership interest in Cellarity Inc. L.V. is funder of Definigen and Bilitech two biotech companies using hPSCs and organoid for disease modelling and cell based therapy.

ABSTRACT The anterior segment of the eye consists of the cornea, iris, ciliary body, crystalline lens and aqueous humor outflow pathways. Together, these tissues are essential for the proper functioning of the eye. Disorders of vision have been ascribed to defects in all of them; some, including glaucoma and cataract, are among the most prevalent causes of blindness in the world. To characterize the cell types that comprise these tissues, we generated an anterior segment cell atlas of the human eye using high throughput single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq). We profiled 191,992 nuclei from non-diseased anterior segment tissues from 6 human donors, identifying >60 cell types. Many of these cell types were discrete, whereas others, especially in lens and cornea, formed continua corresponding to known developmental transitions that persist in adulthood. Having profiled each tissue separately, we performed an integrated analysis of the entire anterior segment revealing that some cell types are unique to single structure whereas others are shared across tissues. The integrated cell atlas was then used to investigate cell type-specific expression patterns of more than 900 human ocular disease genes identified either through Mendelian inheritance patterns or genome-wide association studies (GWAS). SIGNIFICANCE STATEMENT Several of the most prevalent blinding ocular conditions worldwide, including glaucoma, cataract and uncorrected refractive error, involve structures of the anterior segment of the human eye, which consists of the cornea, iris, ciliary body, crystalline lens and aqueous humor outflow pathways. In addition to providing transcriptomic profiles of the cell types within individual tissues, this work contributes to our understanding of the relatedness and diversity of these cell types across contiguous tissues by generating an integrated anterior segment cell atlas and documenting the expression of over 900 disease-associated genes in each cell type. By allowing simultaneous interrogation of cell-type specific expression of genes across multiple tissues, the atlas may yield broad insight into normal and disease-associated anterior segment functions.

Although the visual system extends through the brain, most vision loss originates from defects in the eye. Its central element is the neural retina, which senses light, processes visual signals, and transmits them to the rest of the brain through the optic nerve (ON). Surrounding the retina are numerous other structures, conventionally divided into anterior and posterior segments. Here we used high-throughput single nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) to classify and characterize cells in the extraretinal components of the posterior segment: ON, optic nerve head (ONH), peripheral sclera, peripapillary sclera (PPS), choroid, and retinal pigment epithelium (RPE). Defects in each of these tissues are associated with blinding diseases - for example, glaucoma (ONH and PPS), optic neuritis (ON), retinitis pigmentosa (RPE), and age-related macular degeneration (RPE and choroid). From ∼151,000 single nuclei, we identified 37 transcriptomically distinct cell types, including multiple types of astrocytes, oligodendrocytes, fibroblasts, and vascular endothelial cells. Our analyses revealed a differential distribution of many cell types among distinct structures. Together with our previous analyses of the anterior segment and retina, the new data complete a "Version 1" cell atlas of the human eye. We used this atlas to map the expression of >180 genes associated with the risk of developing glaucoma, which is known to involve ocular tissues in both anterior and posterior segments as well as neural retina. Similar methods can be used to investigate numerous additional ocular diseases, many of which are currently untreatable.

Single-cell sequencing has revolutionized the scale and resolution of molecular profiling of tissues and organs. Here, we present an integrated multimodal reference atlas of the most accessible portion of the mammalian central nervous system, the retina. We compiled around 2.4 million cells from 55 donors, including 1.4 million unpublished data points, to create a comprehensive human retina cell atlas (HRCA) of transcriptome and chromatin accessibility, unveiling over 110 types. Engaging the retina community, we annotated each cluster, refined the Cell Ontology for the retina, identified distinct marker genes, and characterized cis-regulatory elements and gene regulatory networks (GRNs) for these cell types. Our analysis uncovered intriguing differences in transcriptome, chromatin, and GRNs across cell types. In addition, we modeled changes in gene expression and chromatin openness across gender and age. This integrated atlas also enabled the fine-mapping of GWAS and eQTL variants. Accessible through interactive browsers, this multimodal cross donor and cross-lab HRCA, can facilitate a better understanding of retinal function and pathology.