SUMMARY Glioblastoma, isocitrate dehydrogenase (IDH)-wildtype (hereafter, GB), is an aggressive brain malignancy associated with a dismal prognosis and poor quality of life. Single-cell RNA sequencing has helped to grasp the complexity of the cell states and dynamic changes in GB. Large-scale data integration can help to uncover unexplored tumor pathobiology. Here, we resolved the composition of the tumor milieu and created a cellular map of GB (‘GBmap’), a curated resource that harmonizes 26 datasets gathering 240 patients and spanning over 1.1 million cells. We showcase the applications of our resource for reference mapping, transfer learning, and biological discoveries. Our results uncover the sources of pro-angiogenic signaling and the multifaceted role of mesenchymal-like cancer cells. Reconstructing the tumor architecture using spatially resolved transcriptomics unveiled a high level of well-structured neoplastic niches. The GBmap represents a framework that allows the streamlined integration and interpretation of new data and provides a platform for exploratory analysis, hypothesis generation and testing.

Summary The lung contains numerous specialized cell-types with distinct roles in tissue function and integrity. To clarify the origins and mechanisms generating cell heterogeneity, we created a first comprehensive topographic atlas of early human lung development. We report 83 cell states, several spatially-resolved developmental trajectories and predict cell interactions within defined tissue niches. We integrated scRNA-Seq and spatial transcriptomics into a web-based, open platform for interactive exploration. To illustrate the utility of our approach we show distinct states of secretory and neuroendocrine cells, largely overlapping with the programs activated either during lung fibrosis or small cell lung cancer progression. We define the origin of uncharacterized airway fibroblasts associated with airway smooth muscle in bronchovascular bundles, and describe a trajectory of Schwann cell progenitors to intrinsic parasympathetic neurons controlling bronchoconstriction. Our atlas provides a rich resource for further research and a reference for defining deviations from homeostatic and repair mechanisms leading to pulmonary diseases.

ABSTRACT Heart development relies on a topologically defined interplay between a diverse array of cardiac cells. We finely curated spatial and single-cell measurements with subcellular imaging-based transcriptomics validation to explore spatial dynamics during early human cardiogenesis. Analyzing almost 80,000 individual cells and 70,000 spatially barcoded tissue regions between the 5.5 th and 14 th postconceptional weeks, we identified 31 coarse- and 72 fine-grained cell states and mapped them to highly resolved cardiac cellular niches. We provide novel insight into the development of the cardiac pacemaker-conduction system, heart valves, and atrial septum, and decipher heterogeneity of the hitherto elusive cardiac fibroblast population. Furthermore, we describe the formation of cardiac autonomic innervation and present the first spatial account of chromaffin cells in the fetal human heart. We support independent exploration of our datasets by an open-access, spatially centric interactive viewer. In summary, our study delineates the cellular and molecular landscape of the developing heart’s architecture, offering links to genetic causes of heart disease.

Abstract Deciphering the striatal interneuron diversity is key to understanding the basal ganglia circuit and to untangling the complex neurological and psychiatric diseases affecting this brain structure. We performed snRNA-seq and spatial transcriptomics of postmortem human caudate nucleus and putamen samples to elucidate the diversity and abundance of interneuron populations and their inherent transcriptional structure in the human dorsal striatum. We propose a comprehensive taxonomy of striatal interneurons with eight main classes and fourteen subclasses, providing their full transcriptomic identity and spatial expression profile as well as additional quantitative FISH validation for specific populations. We have also delineated the correspondence of our taxonomy with previous standardized classifications and shown the main transcriptomic and class abundance differences between caudate nucleus and putamen. Notably, based on key functional genes such as ion channels and synaptic receptors, we found matching known mouse interneuron populations for the most abundant populations, the recently described PTHLH and TAC3 interneurons. Finally, we were able to integrate other published datasets with ours, supporting the generalizability of this harmonized taxonomy.

Multiplexed spatial profiling of mRNAs has recently gained traction as a tool to explore the cellular diversity and the architecture of tissues. We propose a sensitive, open-source, simple and flexible method for the generation of in-situ expression maps of hundreds of genes. We exploit direct ligation of padlock probes on mRNAs, coupled with rolling circle amplification and hybridization-based in situ combinatorial barcoding, to achieve high detection efficiency, high throughput and large multiplexing. We validate the method across a number of species, and show its use in combination with orthogonal methods such as antibody staining, highlighting its potential value for developmental and tissue biology studies. Finally, we provide an end-to-end computational workflow that covers the steps of probe design, image processing, data extraction, cell segmentation, clustering and annotation of cell types. By enabling easier access to high-throughput spatially resolved transcriptomics, we hope to encourage a diversity of applications and the exploration of a wide range of biological questions.

Abstract The amniote pallium contains sensory circuits structurally and functionally equivalent, yet their evolutionary relationship remains unresolved. Our study employs birthdating analysis, single-cell RNA and spatial transcriptomics, and mathematical modeling to compare the development and evolution of known pallial circuits across birds (chick), lizards (gecko) and mammals (mouse). We reveal that neurons within these circuits’ stations are generated at varying developmental times and brain regions across species, and found an early developmental divergence in the transcriptomic progression of glutamatergic neurons. Together, we show divergent developmental and evolutionary trajectories in the pallial cell types of sauropsids and mammals. Our research highlights significant differences in circuit construction rules among species and pallial regions. Interestingly, despite these developmental distinctions, the sensory circuits in birds and mammals appear functionally similar, which suggest the convergence of high-order sensory processing across amniote lineages.

Highly multiplexed spatial mapping of multiple transcripts within tissues allows for investigation of the transcriptomic and cellular diversity of mammalian organs previously unseen. Here we explore the possibilities of a direct RNA (dRNA) detection approach incorporating the use of padlock probes and rolling circle amplification in combination with hybridization-based in situ sequencing (HybISS) chemistry. We benchmark a dRNA targeting kit that circumvents the standard reverse transcription limiting, cDNA-based in situ sequencing (ISS). We found a five-fold increase in transcript detection efficiency when compared to cDNA-based ISS and also validated its multiplexing capability by targeting a curated panel of 50 genes from previous publications on mouse brain sections, leading to additional data interpretation such as de novo cell typing. With this increased efficiency, we maintain specificity, multiplexing capabilities and ease of implementation. Overall, the dRNA chemistry shows significant improvements in target detection efficiency, closing the gap between the gold standard of fluorescent in situ hybridization (FISH) based technologies and opens up possibilities to explore new biological questions previously not possible with cDNA-based ISS, nor with FISH.

With the emergence of high throughput single cell techniques, the understanding of cellular diversity in biologically complex processes has rapidly increased. The next step towards comprehension of e.g. key organs in the mammal development is to obtain spatiotemporal atlases of the cellular diversity. However, targeted cell typing approaches relying on existing single cell data achieve incomplete and biased maps that could mask the molecular and cellular heterogeneity present in a tissue slide. Here we applied spage2vec, a de novo approach to spatially resolve and characterize cellular diversity during human heart development. We obtained well defined spatial maps of tissue samples from 4.5 to 9 post conception weeks, not biased by probabilistic cell typing approaches. We found previously unreported molecular diversity within cardiomyocytes and epicardial cells and identified their characteristic expression signatures by matching them with specific subpopulations found in single cell RNA sequencing datasets.

Visualization of the transcriptome in situ has proven to be a valuable tool in exploring single-cell RNA-sequencing data, providing an additional dimension to investigate spatial cell typing and cell atlases, disease architecture or even data driven discoveries. The field of spatially resolved transcriptomic technologies is emerging as a vital tool to profile gene-expression, continuously pushing current methods to accommodate larger gene panels and larger areas without compromising throughput efficiency. Here, we describe a new version of the in situ sequencing (ISS) method based on padlock probes and rolling circle amplification. Modifications in probe design allows for a new barcoding system via sequence-by-hybridization chemistry for improved spatial detection of RNA transcripts. Due to the amplification of probes, amplicons can be visualized with standard epifluorescence microscopes with high-throughput efficiency and the new sequencing chemistry removes limitations bound by sequence-by-ligation chemistry of ISS. Here we present hybridization-based in situ sequencing (HybISS) that allows for increased flexibility and multiplexing, increased signal-to-noise, all without compromising throughput efficiency of imaging large fields of view. Moreover, the current protocol is demonstrated to work on human brain tissue samples, a source that has proven to be difficult to work with image-based spatial analysis techniques. Overall, HybISS technology works as a target amplification detection method for improved spatial transcriptomic visualization, and importantly, with an ease of implementation.

ABSTRACT Embryonic development is a complex and dynamic process that unfolds over time and involves the production of increasing numbers of cells, as well as the diversification of different cell types. The impact of developmental time on the formation of the central nervous system is well-documented, with evidence showing that time plays a critical role in establishing the identity of neuronal subtypes. However, the study of how time translates into genetic instructions driving cell fate is limited by the scarcity of suitable experimental tools. We introduce BirthSeq , a new method for isolating and analyzing cells based on their birth date. This innovative technique allows for in vivo labeling of cells, isolation via FACS, and analysis using high-throughput techniques. We demonstrate the effectiveness of BirthSeq for single-cell RNA sequencing and novel spatially resolved transcriptomic approaches in brain development across three vertebrate species (mouse, chick, and gecko). Overall, BirthSeq provides a versatile tool for studying any tissue in any vertebrate organism, helping to fill the necessity in developmental biology research by targeting cells and their temporal cues. SUMMARY STATEMENT BirthSeq allows the isolation and investigation of alive cells according to their birthdate, in any kind of tissue and vertebrate species.