The histone 3 lysine 79 (H3K79) methyltransferase Dot1l has been implicated in the development of leukemias bearing translocations of the Mixed Lineage Leukemia (MLL) gene. We identified the MLL-fusion targets in an MLL-AF9 leukemia model, and conducted epigenetic profiling for H3K79me2, H3K4me3, H3K27me3, and H3K36me3 in hematopoietic progenitor and leukemia stem cells (LSCs). We found abnormal profiles only for H3K79me2 on MLL-AF9 fusion target loci in LSCs. Inactivation of Dot1l led to downregulation of direct MLL-AF9 targets and an MLL translocation-associated gene expression signature, whereas global gene expression remained largely unaffected. Suppression of MLL translocation-associated gene expression corresponded with dependence of MLL-AF9 leukemia on Dot1l in vivo. These data point to DOT1L as a potential therapeutic target in MLL-rearranged leukemia.

Experimental models of the human brain are needed for basic understanding of its development and disease1. Human brain organoids hold unprecedented promise for this purpose; however, they are plagued by high organoid-to-organoid variability2,3. This has raised doubts as to whether developmental processes of the human brain can occur outside the context of embryogenesis with a degree of reproducibility that is comparable to the endogenous tissue. Here we show that an organoid model of the dorsal forebrain can reliably generate a rich diversity of cell types appropriate for the human cerebral cortex. We performed single-cell RNA-sequencing analysis of 166,242 cells isolated from 21 individual organoids, finding that 95% of the organoids generate a virtually indistinguishable compendium of cell types, following similar developmental trajectories and with a degree of organoid-to-organoid variability comparable to that of individual endogenous brains. Furthermore, organoids derived from different stem cell lines show consistent reproducibility in the cell types produced. The data demonstrate that reproducible development of the complex cellular diversity of the central nervous system does not require the context of the embryo, and that establishment of terminal cell identity is a highly constrained process that can emerge from diverse stem cell origins and growth environments.

The scale and capabilities of single-cell RNA-sequencing methods have expanded rapidly in recent years, enabling major discoveries and large-scale cell mapping efforts. However, these methods have not been systematically and comprehensively benchmarked. Here, we directly compare seven methods for single-cell and/or single-nucleus profiling—selecting representative methods based on their usage and our expertise and resources to prepare libraries—including two low-throughput and five high-throughput methods. We tested the methods on three types of samples: cell lines, peripheral blood mononuclear cells and brain tissue, generating 36 libraries in six separate experiments in a single center. To directly compare the methods and avoid processing differences introduced by the existing pipelines, we developed scumi, a flexible computational pipeline that can be used with any single-cell RNA-sequencing method. We evaluated the methods for both basic performance, such as the structure and alignment of reads, sensitivity and extent of multiplets, and for their ability to recover known biological information in the samples. Seven methods for single-cell RNA sequencing are benchmarked on cell lines, primary cells and mouse cortex.

Brain microvascular endothelial cells (BMECs) are an essential component of the blood-brain barrier (BBB) that shields the brain against toxins and immune cells. While BBB dysfunction exists in neurological disorders, including Huntington's disease (HD), it is not known if BMECs themselves are functionally compromised to promote BBB dysfunction. Further, the underlying mechanisms of BBB dysfunction remain elusive given limitations with mouse models and post-mortem tissue to identify primary deficits. We undertook a transcriptome and functional analysis of human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived BMECs (iBMEC) from HD patients or unaffected controls. We demonstrate that HD iBMECs have intrinsic abnormalities in angiogenesis and barrier properties, as well as in signaling pathways governing these processes. Thus, our findings provide an iPSC-derived BBB model for a neurodegenerative disease and demonstrate autonomous neurovascular deficits that may underlie HD pathology with implications for therapeutics and drug delivery.

ABSTRACT Genetic risk for autism spectrum disorder (ASD) has been associated with hundreds of genes spanning a wide range of biological functions. The phenotypic alterations in the human brain resulting from mutations in ASD risk genes remain unclear, and the level at which these alterations converge on shared disease pathology is poorly understood. Here, we leveraged reproducible organoid models of the human cerebral cortex to identify cell type-specific developmental abnormalities associated with haploinsufficiency in three ASD risk genes, SUV420H1 ( KMT5B ), PTEN , and CHD8 . We performed comprehensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of over 400,000 cells, and proteomic analysis on individual organoids sampled at different developmental stages to investigate phenotypic convergence among these genes. We find that within a defined period of early cortical development, each of the three mutations demonstrates accelerated development of cortical neurons. Notably, they do so by affecting different neuronal populations: excitatory deep layer ( SUV420H1 ) and callosal ( PTEN ) neurons, and inhibitory interneurons ( CHD8 ). This work shows that haploinsufficiency in ASD risk genes converge on early developmental defects in the generation of neurons of the cortical microcircuit.

Abstract De novo heterozygous loss-of-function mutations in PTEN are strongly associated with Autism spectrum disorders (ASD); however, it is unclear how heterozygous mutations in this gene affects different cell types during human brain development, and how these effects vary across individuals. Here, we used human cortical organoids from different donors to identify cell-type-specific developmental events that are affected by heterozygous mutations in PTEN . We profiled individual organoids by single-cell RNA-seq, proteomics and spatial transcriptomics, and revealed abnormalities in developmental timing in human outer radial glia progenitors and deep layer cortical projection neurons, which varied with the donor genetic background. Calcium imaging in intact organoids showed that both accelerated and delayed neuronal development phenotypes resulted in similar abnormal activity of local circuits, irrespective of genetic background. The work reveals donor-dependent, cell-type specific developmental phenotypes of PTEN heterozygosity that later converge on disrupted neuronal activity.

Abstract Realizing the full utility of brain organoids as experimental systems to study human cortical development requires understanding whether organoids replicate the cellular and molecular events of this complex process precisely, reproducibly, and with fidelity to the embryo. Here we present a comprehensive single-cell transcriptomic, epigenetic, and spatial atlas of human cortical organoid development, comprising over 610,000 cells, spanning initial generation of neural progenitors through production of differentiated neuronal and glial subtypes. We define the lineage relationships and longitudinal molecular trajectories of cortical cell types during development in organoids, and show that developmental processes of cellular diversification in organoids correlate closely to endogenous ones, irrespective of metabolic state. Using this data, we identify genes with predicted human-specific roles in lineage establishment, and discover a developmental origin for the transcriptional diversity of human callosal projection neurons, a population that has undergone dramatic expansion and diversification during human evolution. Our work provides a comprehensive, single-cell molecular map of human corticogenesis in vitro , identifying developmental trajectories and molecular mechanisms associated with human cellular diversification.

A multitude of single-cell RNA sequencing methods have been developed in recent years, with dramatic advances in scale and power, and enabling major discoveries and large scale cell mapping efforts. However, these methods have not been systematically and comprehensively benchmarked. Here, we directly compare seven methods for single cell and/or single nucleus profiling from three types of samples – cell lines, peripheral blood mononuclear cells and brain tissue – generating 36 libraries in six separate experiments in a single center. To analyze these datasets, we developed and applied scumi, a flexible computational pipeline that can be used for any scRNA-seq method. We evaluated the methods for both basic performance and for their ability to recover known biological information in the samples. Our study will help guide experiments with the methods in this study as well as serve as a benchmark for future studies and for computational algorithm development.