The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

The Tabula Muris Consortium We have created a compendium of single cell transcriptome data from the model organism Mus musculus comprising more than 100,000 cells from 20 organs and tissues. These data represent a new resource for cell biology, revealing gene expression in poorly characterized cell populations and allowing for direct and controlled comparison of gene expression in cell types shared between tissues, such as T-lymphocytes and endothelial cells from distinct anatomical locations. Two distinct technical approaches were used for most tissues: one approach, microfluidic droplet-based 3’-end counting, enabled the survey of thousands of cells at relatively low coverage, while the other, FACS-based full length transcript analysis, enabled characterization of cell types with high sensitivity and coverage. The cumulative data provide the foundation for an atlas of transcriptomic cell biology.

SUMMARY Metastasis is responsible for the majority of breast cancer-related deaths, however identifying the cellular determinants of metastasis has remained challenging. Here, we identified a minority population of immature THY1 + / VEGFA + tumor epithelial cells in human breast tumor biopsies that display angiogenic features and are marked by the expression of the oncogene, LMO2 . Higher abundance of LMO2 + basal cells correlated with tumor endothelial content and predicted poor distant recurrence-free survival in patients. Using MMTV-PyMT/Lmo2 CreERT2 mice, we demonstrated that Lmo2 lineage- traced cells have a higher propensity to metastasize. LMO2 knockdown in human breast tumors reduced lung metastasis by impairing intravasation, leading to a reduced frequency of circulating tumor cells. Mechanistically, we find that LMO2 binds to STAT3 and is required for STAT3 activation by TNFα and IL6. Collectively, our study identifies a population of metastasis-initiating cells with angiogenic features and establishes the LMO2-STAT3 signaling axis as a therapeutic target in breast cancer metastasis. One sentence summary LMO2 modulates STAT3 signaling in breast cancer metastasis.

Abstract Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) has transformed our understanding of cell fate in developmental systems. However, identifying the molecular hallmarks of potency – the capacity of a cell to differentiate into other cell types – has remained challenging. Here, we introduce CytoTRACE 2, an interpretable deep learning framework for characterizing potency and differentiation states on an absolute scale from scRNA-seq data. Across 31 human and mouse scRNA-seq datasets encompassing 28 tissue types, CytoTRACE 2 outperformed existing methods for recovering experimentally determined potency levels and differentiation states covering the entire range of cellular ontogeny. Moreover, it reconstructed the temporal hierarchy of mouse embryogenesis across 62 timepoints; identified pan-tissue expression programs that discriminate major potency levels; and facilitated discovery of cellular phenotypes in cancer linked to survival and immunotherapy resistance. Our results illuminate a fundamental feature of cell biology and provide a broadly applicable platform for delineating single-cell differentiation landscapes in health and disease.

Hematopoietic stem cells (HSCs) are responsible for the generation of blood and immune cells throughout life. They have the unique ability to self-renew and generate more HSCs or differentiate into a progenitor cell in response to cell-intrinsic and -extrinsic stimuli. The balance of HSC fate commitment is critical for a healthy blood supply. Imbalances during hematopoiesis, which are frequent in aging, can result in hematological malignancies and pre-malignancies as well as increase risk of atherosclerosis. Given the importance of HSCs and their progenitors, they have been extensively characterized in genomic and transcriptomic studies. However, an understanding of protein expression within the HSC compartment and more broadly throughout hematopoiesis remains poorly understood, and it has been widely reported that the correlation between mRNA and proteins is more complicated than previously thought. Previous mouse mass spectrometry studies have focused either specifically on stem and the first early progenitor or broadly across mixed populations of stem and progenitor cells, which do not allow for cell-type specific protein resolution across stages of differentiation. Mass cytometry has been employed to characterize transcription factor expression in human HSCs and progenitors but does not apply an unbiased discovery approach. New mass spectrometry technology now allows for deep proteomic coverage with no more than 200 ng of sample input. We report here a proteomics resource characterizing protein expression in mouse adult and aged HSCs, multipotent progenitors and oligopotent progenitors, 12 cell types in total. We validated differential expression by flow cytometry analysis and immunofluorescence staining. Additionally, we investigated the relationship between mRNA and protein levels of individual genes in HSCs compared to progenitors through RNA sequencing studies and identified two proteins that appear to be uniquely regulated in the HSC compartment, Cpin1 and Adnp. In summary, this resource provides proteomic coverage of adult and aged hematopoietic stem cells and their progenitors and reveals changes in protein abundance between cell types, with potential future implications in understanding mechanisms for stem-cell maintenance, niche interactions and fate determination.

While intrinsic changes in aging hematopoietic stem cells (HSCs) are well-characterized, it remains unclear how hematopoietic niche affects HSC aging. Here, we demonstrate that cells in the niche - endothelial cells (ECs) and CXCL12-abundant reticular cells (CARs) - highly express the heme-degrading enzyme, heme oxygenase 1 (HO-1), but then decrease its expression with age. RNA-sequencing shows that ECs and CARs from HO-1-deficient animals (HO-1-/-) produce less hematopoietic factors. Consequently, HSCs from young HO-1-/- animals lose quiescence and regenerative potential. Young HO-1-/- HSCs exhibit features of premature aging on the transcriptional and functional level. HO-1+/+ HSCs transplanted into HO-1-/- recipients exhaust their regenerative potential early and do not reconstitute secondary recipients. In turn, transplantation of HO-1-/- HSCs to the HO-1+/+ recipients recovers the regenerative potential of HO-1-/- HSCs and reverses their transcriptional alterations. Thus, HSC-extrinsic activity of HO-1 prevents HSCs from premature aging and may restore the function of aged HSCs.

Hematopoietic stem cells (HSCs) self-renew and generate all blood cells. Recent studies with single-cell transplants ([1][1]–[3][2]) and lineage tracing ([4][3], [5][4]) suggest that adult HSCs are diverse in their reconstitution and lineage potentials. However, prospective isolation of these subpopulations has remained challenging. Here, we identify Neogenin-1 (NEO1) as a unique surface marker on a fraction of mouse HSCs labeled with Hoxb5 , a specific reporter of long-term HSCs (LT-HSCs) ([6][5]). We show that NEO1+ Hoxb5 + LT-HSCs expand with age and respond to myeloablative stress, while NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs exhibit no significant change in number. NEO1+ Hoxb5 + LT-HSCs are more often in the G2/S cell cycle phase compared to NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs in both young and old bone marrow. Upon serial transplantation, NEO1+ Hoxb5 + LT-HSCs exhibit myeloid-biased differentiation and reduced reconstitution, while NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs are lineage-balanced and stably reconstitute recipients. Gene expression comparison reveals increased expression of cell cycle genes and evidence of lineage-priming in the NEO1+ fraction. Finally, transplanted NEO1+ Hoxb5 + LT-HSCs rarely generate NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs, while NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs repopulate both LT-HSC fractions. This supports a model in which dormant, balanced, NEO1− Hoxb5 + LT-HSCs can hierarchically precede active, myeloid-biased NEO1+ Hoxb5 + LT-HSCs.SIGNIFICANCE STATEMENT Hematopoietic stem cells (HSCs) are rare cells that have the unique ability to regenerate themselves and produce all blood cells throughout life. However, HSCs are functionally heterogeneous and several studies have shown that HSCs can differ in their contribution to major blood lineages. In this study, we discovered that the surface marker, Neogenin-1, can divide mouse HSCs into two subpopulations—one that is more active but biased towards producing myeloid cells and another that is more dormant and capable of equally producing all blood lineages. Neogenin-1 reveals the diversity and hierarchical relationship of HSCs in the mouse bone marrow, enables the prospective isolation of myeloid-biased and balanced HSCs, and opens opportunities to do the same in humans. [1]: #ref-1 [2]: #ref-3 [3]: #ref-4 [4]: #ref-5 [5]: #ref-6

Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) is a powerful approach for reconstructing cellular differentiation trajectories. However, inferring both the state and direction of differentiation without prior knowledge has remained challenging. Here we describe a simple yet robust determinant of developmental potential—the number of detectably expressed genes per cell—and leverage this measure of transcriptional diversity to develop a new framework for predicting ordered differentiation states from scRNA-seq data. When evaluated on ~150,000 single-cell transcriptomes spanning 53 lineages and five species, our approach, called CytoTRACE, outperformed previous methods and ~19,000 molecular signatures for resolving experimentally-confirmed developmental trajectories. In addition, it enabled unbiased identification of tissue-resident stem cells, including cells with long-term regenerative potential. When used to analyze human breast tumors, we discovered candidate genes associated with less-differentiated luminal progenitor cells and validated GULP1 as a novel gene involved in tumorigenesis. Our study establishes a key RNA-based correlate of developmental potential and provides a new platform for robust delineation of cellular hierarchies (https://cytotrace.stanford.edu).

Microglia are increasingly recognized for their major contributions during brain development and neurodegenerative disease. It is currently unknown if these functions are carried out by subsets of microglia during different stages of development and adulthood or within specific brain regions. Here, we performed deep single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of microglia and related myeloid cells sorted from various regions of embryonic, postnatal, and adult mouse brains. We found that the majority of adult microglia with homeostatic signatures are remarkably similar in transcriptomes, regardless of brain region. By contrast, postnatal microglia represent a more heterogeneous population. We discovered that postnatal white matter-associated microglia (WAM) are strikingly different from microglia in other regions and express genes enriched in degenerative disease-associated microglia. These postnatal WAM have distinct amoeboid morphology, are metabolically active, and phagocytose newly formed oligodendrocytes. This scRNA-seq atlas will be a valuable resource for dissecting innate immune functions in health and disease.

In the skin, tissue injury results in fibrosis in the form of scars composed of dense extracellular matrix deposited by fibroblasts. The therapeutic goal of regenerative wound healing has remained elusive in part because principles of fibroblast programming and adaptive response to injury remain incompletely understood. Here, we present a multimodal -omics platform for the comprehensive study of cell populations in complex tissue, which has allowed us to characterize the cells involved in wound healing across both time and space. We employ a stented wound model that recapitulates human tissue repair kinetics and multiple Rainbow transgenic lines to precisely track fibroblast fate during the physiologic response to injury. Through integrated analysis of single cell chromatin landscapes and gene expression states, coupled with spatial transcriptomic profiling, we are able to impute fibroblast epigenomes with temporospatial resolution. This has allowed us to define the mechanisms controlling cell fate during migration, proliferation, and differentiation following tissue injury and thereby reexamine the canonical phases of wound healing. These findings have broad implications for the study of tissue repair in complex organ systems.