Abstract Cell-cell signaling pathways comprise sets of variant receptors that are expressed in different combinations in different cell types. This architecture allows one pathway to be used in a variety of configurations, which could provide distinct functional capabilities, such as responding to different ligand variants. While individual pathways have been well-studied, we have lacked a comprehensive understanding of what receptor combinations are expressed and how they are distributed across cell types. Here, combining data from multiple single-cell gene expression atlases, we analyzed the expression profiles of core signaling pathways, including TGF-β, Notch, Wnt, and Eph-ephrin, as well as non-signaling pathways. In many pathways, a limited set of receptor expression profiles are used recurrently in many distinct cell types. While some recurrent profiles are restricted to groups of closely related cells, others, which we term pathway expression motifs, reappear in distantly related cell types spanning diverse tissues and organs. Motif usage was generally uncorrelated between pathways, remained stable in a given cell type during aging, but could change in sudden punctuated transitions during development. These results suggest a mosaic view of pathway usage, in which the same core pathways can be active in many or most cell types, but operate in one of a handful of distinct modes.

Abstract Infection by Coronavirus SARS-CoV2 is a severe and often deadly disease that has implications for the respiratory system and multiple organs across the human body. While the effects in the lung have been extensively studied, less is known about COVID-19’s cellular impact across other organs. Here we contribute a single-nuclei RNA sequencing atlas comprising six human organs across 20 autopsies where we analyzed the transcriptional changes due to COVID-19 in multiple cell types. Computational cross-organ analysis for endothelial cells and macrophages identified systemic transcriptional changes in these cell types in COVID-19 samples. In addition, analysis of signaling pathways from multiple datasets showed several systemic dysregulations of signaling interaction in different cell types. Altogether, the COVID Tissue Atlas enables the investigation of both cell type-specific and cross-organ transcriptional responses to COVID-19, providing insights into the molecular networks affected by the disease and highlighting novel potential targets for therapies and drug development.

SUMMARY Excitability—the ability to fire action potentials—is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development, and whether excitability is an intrinsic property of neurons or requires signaling from glial cells, remain unclear. Here we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E 2 , which is necessary and sufficient to induce developing somatosensory neurons to express normal levels of voltage-gated sodium channels and fire action potential trains. Inactivating this signaling pathway specifically in Schwann cells selectively impairs the maturation of nociceptor and proprioceptor somatosensory neuron subtypes, leading to corresponding sensory defects in thermoception, inflammatory pain, and proprioception. Our studies thus reveal a cell non-autonomous mechanism by which glia regulate neuronal excitability to enable the development of normal sensory functions.

Abstract Assigning cell identity to clusters of single cells is an essential step towards extracting biological insights from many genomics datasets. Although annotation workflows for datasets built with a single modality are well established, limitations exist in annotating cell types in datasets with multiple modalities due to the need for a framework to exploit them jointly. While, in principle, different modalities could convey complementary information about cell identity, it is unclear to what extent they can be combined to improve the accuracy and resolution of cell type annotations. Here, we present a conceptual framework to examine and jointly interrogate distinct modalities to identify cell types. We integrated our framework into a series of vignettes, using immune cells as a well-studied example, and demonstrate cell type annotation workflows ranging from using single-cell RNA-seq datasets alone, to using multiple modalities such as single-cell Multiome (RNA and chromatin accessibility), CITE-seq (RNA and surface proteins). In some cases, one or other single modality is superior to the other for identification of specific cell types, in others combining the two modalities improves resolution and the ability to identify finer subpopulations. Finally, we use interactive software from CZ CELLxGENE community tools to visualize and integrate histological and spatial transcriptomic data.

ABSTRACT Elucidating the developmental processes of organisms requires a comprehensive understanding of cellular lineages in the spatial, temporal, and molecular domains. In this study, we introduce Zebrahub, a dynamic atlas of zebrafish embryonic development that integrates single-cell sequencing time course data with lineage reconstructions facilitated by light-sheet microscopy. This atlas offers high-resolution and in-depth molecular insights into zebrafish development, achieved through the sequencing of individual embryos across ten developmental stages, complemented by trajectory reconstructions. Zebrahub also incorporates an interactive tool to navigate the complex cellular flows and lineages derived from light-sheet microscopy data, enabling in silico fate mapping experiments. To demonstrate the versatility of our multi-modal resource, we utilize Zebrahub to provide fresh insights into the pluripotency of Neuro-Mesodermal Progenitors (NMPs). Our publicly accessible web-based platform, Zebrahub, is a foundational resource for studying developmental processes at both transcriptional and spatiotemporal levels, providing researchers with an integrated approach to exploring and analyzing the complexities of cellular lineages during zebrafish embryogenesis.

Electrical excitability-the ability to fire and propagate action potentials-is a signature feature of neurons. How neurons become excitable during development and whether excitability is an intrinsic property of neurons remain unclear. Here, we demonstrate that Schwann cells, the most abundant glia in the peripheral nervous system, promote somatosensory neuron excitability during development. We find that Schwann cells secrete prostaglandin E

Multicellular development depends on the differentiation of cells into specific fates with precise spatial organization. Lineage history plays a pivotal role in cell fate decisions, but is inaccessible in most contexts. Engineering cells to actively record lineage information in a format readable in situ would provide a spatially resolved view of lineage in diverse developmental processes. Here, we introduce a serine integrase-based recording system that allows in situ readout, and demonstrate its ability to reconstruct lineage relationships in cultured stem cells and flies. The system, termed intMEMOIR, employs an array of independent three-state genetic memory elements that can recombine stochastically and irreversibly, allowing up to 59,049 distinct digital states. intMEMOIR accurately reconstructed lineage trees in stem cells and enabled simultaneous analysis of single cell clonal history, spatial position, and gene expression in Drosophila brain sections. These results establish a foundation for microscopy-readable clonal analysis and recording in diverse systems.### Competing Interest StatementK.F., K.K.C., L.C., and M.B.E. are inventors on a patent application for recording technologies.

Astrocyte specification during development is influenced by both intrinsic and extrinsic factors, but the precise contribution of each remains poorly understood. Here we show that septal astrocytes from Nkx2.1 and Zic4 expressing progenitor zones are allocated into non-overlapping domains of the medial (MS) and lateral septal nuclei (LS) respectively. Astrocytes in these areas exhibit distinctive molecular and morphological features tailored to the unique cellular and synaptic circuit environment of each nucleus. Using single-nucleus (sn) RNA sequencing, we trace the developmental trajectories of cells in the septum and find that neurons and astrocytes undergo region and developmental stage-specific local cell-cell interactions. We show that expression of the classic morphogens Sonic hedgehog (Shh) and Fibroblast growth factors (Fgfs) by MS and LS neurons respectively, functions to promote the molecular specification of local astrocytes in each region. Finally, using heterotopic cell transplantation, we show that both morphological and molecular specifications of septal astrocytes are highly dependent on the local microenvironment, regardless of developmental origins. Our data highlights the complex interplay between intrinsic and extrinsic factors shaping astrocyte identities and illustrates the importance of the local environment in determining astrocyte functional specialization.

To thrive in diverse environments, cells must represent extracellular change intracellularly despite stochastic biochemistry. Here we introduce a quantitative framework for investigating the organization of information within a cell. Combining single-cell measurements of intracellular dynamics with a new, scalable methodology for estimating mutual information between time-series and a discrete input, we demonstrate that extracellular information is encoded in the dynamics of the nuclear localization of transcription factors and that information is lost with alternative static statistics. Any one transcription factor is usually insufficient, but the collective dynamics of multiple transcription factors can represent complex extracellular change. We therefore show that a cell's internal representation of its environment can be both distributed across diverse proteins and dynamically encoded