Abstract Single cell transcriptomics has transformed the characterization of brain cell identity by providing quantitative molecular signatures for large, unbiased samples of brain cell populations. With the proliferation of taxonomies based on individual datasets, a major challenge is to integrate and validate results toward defining biologically meaningful cell types. We used a battery of single-cell transcriptome and epigenome measurements generated by the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) to comprehensively assess the molecular signatures of cell types in the mouse primary motor cortex (MOp). We further developed computational and statistical methods to integrate these multimodal data and quantitatively validate the reproducibility of the cell types. The reference atlas, based on more than 600,000 high quality single-cell or -nucleus samples assayed by six molecular modalities, is a comprehensive molecular account of the diverse neuronal and non-neuronal cell types in MOp. Collectively, our study indicates that the mouse primary motor cortex contains over 55 neuronal cell types that are highly replicable across analysis methods, sequencing technologies, and modalities. We find many concordant multimodal markers for each cell type, as well as thousands of genes and gene regulatory elements with discrepant transcriptomic and epigenomic signatures. These data highlight the complex molecular regulation of brain cell types and will directly enable design of reagents to target specific MOp cell types for functional analysis.

ABSTRACT We report the generation of a multimodal cell census and atlas of the mammalian primary motor cortex (MOp or M1) as the initial product of the BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN). This was achieved by coordinated large-scale analyses of single-cell transcriptomes, chromatin accessibility, DNA methylomes, spatially resolved single-cell transcriptomes, morphological and electrophysiological properties, and cellular resolution input-output mapping, integrated through cross-modal computational analysis. Together, our results advance the collective knowledge and understanding of brain cell type organization: First, our study reveals a unified molecular genetic landscape of cortical cell types that congruently integrates their transcriptome, open chromatin and DNA methylation maps. Second, cross-species analysis achieves a unified taxonomy of transcriptomic types and their hierarchical organization that are conserved from mouse to marmoset and human. Third, cross-modal analysis provides compelling evidence for the epigenomic, transcriptomic, and gene regulatory basis of neuronal phenotypes such as their physiological and anatomical properties, demonstrating the biological validity and genomic underpinning of neuron types and subtypes. Fourth, in situ single-cell transcriptomics provides a spatially-resolved cell type atlas of the motor cortex. Fifth, integrated transcriptomic, epigenomic and anatomical analyses reveal the correspondence between neural circuits and transcriptomic cell types. We further present an extensive genetic toolset for targeting and fate mapping glutamatergic projection neuron types toward linking their developmental trajectory to their circuit function. Together, our results establish a unified and mechanistic framework of neuronal cell type organization that integrates multi-layered molecular genetic and spatial information with multi-faceted phenotypic properties.

Summary Mammalian brain cells are remarkably diverse in gene expression, anatomy, and function, yet the regulatory DNA landscape underlying this extensive heterogeneity is poorly understood. We carried out a comprehensive assessment of the epigenomes of mouse brain cell types by applying single nucleus DNA methylation sequencing to profile 110,294 nuclei from 45 regions of the mouse cortex, hippocampus, striatum, pallidum, and olfactory areas. We identified 161 cell clusters with distinct spatial locations and projection targets. We constructed taxonomies of these epigenetic types, annotated with signature genes, regulatory elements, and transcription factors. These features indicate the potential regulatory landscape supporting the assignment of putative cell types, and reveal repetitive usage of regulators in excitatory and inhibitory cells for determining subtypes. The DNA methylation landscape of excitatory neurons in the cortex and hippocampus varied continuously along spatial gradients. Using this deep dataset, an artificial neural network model was constructed that precisely predicts single neuron cell-type identity and brain area spatial location. Integration of high-resolution DNA methylomes with single-nucleus chromatin accessibility data allowed prediction of high-confidence enhancer-gene interactions for all identified cell types, which were subsequently validated by cell-type-specific chromatin conformation capture experiments. By combining multi-omic datasets (DNA methylation, chromatin contacts, and open chromatin) from single nuclei and annotating the regulatory genome of hundreds of cell types in the mouse brain, our DNA methylation atlas establishes the epigenetic basis for neuronal diversity and spatial organization throughout the mouse brain.

Abstract Single-cell analyses parse the brain’s billions of neurons into thousands of ‘cell-type’ clusters residing in different brain structures 1 . Many cell types mediate their functions through targeted long-distance projections allowing interactions between specific cell types. Here we used epi-retro-seq 2 to link single-cell epigenomes and cell types to long-distance projections for 33,034 neurons dissected from 32 different regions projecting to 24 different targets (225 source-to-target combinations) across the whole mouse brain. We highlight uses of these data for interrogating principles relating projection types to transcriptomics and epigenomics, and for addressing hypotheses about cell types and connections related to genetics. We provide an overall synthesis with 926 statistical comparisons of discriminability of neurons projecting to each target for every source. We integrate this dataset into the larger BRAIN Initiative Cell Census Network atlas, composed of millions of neurons, to link projection cell types to consensus clusters. Integration with spatial transcriptomics further assigns projection-enriched clusters to smaller source regions than the original dissections. We exemplify this by presenting in-depth analyses of projection neurons from the hypothalamus, thalamus, hindbrain, amygdala and midbrain to provide insights into properties of those cell types, including differentially expressed genes, their associated cis -regulatory elements and transcription-factor-binding motifs, and neurotransmitter use.

Delineating the gene regulatory programs underlying complex cell types is fundamental for understanding brain functions in health and disease. Here, we comprehensively examine human brain cell epigenomes by probing DNA methylation and chromatin conformation at single-cell resolution in over 500,000 cells from 46 brain regions. We identified 188 cell types and characterized their molecular signatures. Integrative analyses revealed concordant changes in DNA methylation, chromatin accessibility, chromatin organization, and gene expression across cell types, cortical areas, and basal ganglia structures. With these resources, we developed scMCodes that reliably predict brain cell types using their methylation status at select genomic sites. This multimodal epigenomic brain cell atlas provides new insights into the complexity of cell type-specific gene regulation in the adult human brain.

Altered transcriptional and epigenetic regulation of brain cell types may contribute to cognitive changes with advanced age. Using single-nucleus multi-omic DNA methylation and transcriptome sequencing (snmCT-seq) in frontal cortex from young adult and aged donors, we found widespread age- and sex-related variation in specific neuron types. The proportion of inhibitory SST- and VIP-expressing neurons was reduced in aged donors. Excitatory neurons had more profound age-related changes in their gene expression and DNA methylation than inhibitory cells. Hundreds of genes involved in synaptic activity, including EGR1, were less expressed in aged adults. Genes located in subtelomeric regions increased their expression with age and correlated with reduced telomere length. We further mapped cell-type-specific sex differences in gene expression and X-inactivation escape genes. Multi-omic single-nucleus epigenomes and transcriptomes provide new insight into the effects of age and sex on human neurons.

Abstract The human brain contains an extraordinarily diverse set of neuronal and glial cell types. Recent advances in single cell transcriptomics have begun to delineate the cellular heterogeneity in different brain regions, but the transcriptional regulatory programs responsible for the identity and function of each brain cell type remain to be defined. Here, we carried out single nucleus ATAC-seq analysis to probe the open chromatin landscape from over 1.1 million cells in 42 brain regions of three neurotypical adult donors. Integrative analysis of the resulting data identified 107 distinct cell types and revealed the cell-type-specific usage of 544,735 candidate cis-regulatory DNA elements (cCREs) in the human genome. Nearly 1/3 of them displayed sequence conservation as well as chromatin accessibility in the mouse brain. On the other hand, nearly 40% cCREs were human specific, with chromatin accessibility associated with species-restricted gene expression. Interestingly, these human specific cCREs were enriched for distinct families of retrotransposable elements, which displayed cell-type-specific chromatin accessibility. We uncovered strong associations between specific brain cell types and neuropsychiatric disorders. We futher developed deep learning models to predict regulatory function of non-coding disease risk variants.

Abstract Single-cell genetic and epigenetic analyses parse the brain’s billions of neurons into thousands of “cell-type” clusters, each residing in different brain structures. Many of these cell types mediate their unique functions by virtue of targeted long-distance axonal projections to allow interactions between specific cell types. Here we have used Epi-Retro-Seq to link single cell epigenomes and associated cell types to their long-distance projections for 33,034 neurons dissected from 32 different source regions projecting to 24 different targets (225 source →target combinations) across the whole mouse brain. We highlight uses of this large data set for interrogating both overarching principles relating projection cell types to their transcriptomic and epigenomic properties and for addressing and developing specific hypotheses about cell types and connections as they relate to genetics. We provide an overall synthesis of the data set with 926 statistical comparisons of the discriminability of neurons projecting to each target for every dissected source region. We integrate this dataset into the larger, annotated BICCN cell type atlas composed of millions of neurons to link projection cell types to consensus clusters. Integration with spatial transcriptomic data further assigns projection-enriched clusters to much smaller source regions than afforded by the original dissections. We exemplify these capabilities by presenting in-depth analyses of neurons with identified projections from the hypothalamus, thalamus, hindbrain, amygdala, and midbrain to provide new insights into the properties of those cell types, including differentially expressed genes, their associated cis-regulatory elements and transcription factor binding motifs, and neurotransmitter usage.

Excitatory and inhibitory neurons establish specialized identities early in life through cell type-specific patterns of epigenetic regulation and gene expression. Although cell types are largely stable throughout the lifespan, altered transcriptional and epigenetic regulation may contribute to cognitive changes with advanced age. Using single-nucleus multiomic DNA methylation and transcriptome sequencing (snmCT-seq) in frontal cortex samples from young adult and aged donors, we found widespread age- and sex-related variability in specific neuronal cell types. The proportion of GABAergic inhibitory cells, including SST and VIP expressing cells, was reduced in aged donors. On the other hand, excitatory neurons had more profound age-related changes in their gene expression and DNA methylation compared with inhibitory cells. Hundreds of genes involved in synaptic activity were downregulated, while genes located in subtelomeric regions were upregulated with age and anti-correlated with telomere length. We further mapped sex differences in autosomal gene expression and escape from X-inactivation in specific neuron types. Multiomic single-nucleus epigenomes and transcriptomes provide new insight into the effects of age and sex on human neurons.

Epigenetic modifications of DNA regulate gene expression throughout the lifespan in neurons. Two major epigenetic pathways of repression, DNA methylation and Polycomb repressive complex 2 (PRC2) mediated gene silencing, regulate neuronal physiology and function, but their relative contributions are unknown. We found that conditional loss of the de novo DNA methyltransferase Dnmt3a in mouse excitatory neurons altered expression of synapse-related genes, impaired the maturation of postsynaptic dendritic spines and dampened neuronal excitability. These phenotypes were accompanied by working memory and social interest deficits. To elucidate the epigenetic mechanisms, we performed deep sequencing of DNA methylation, transcription, and chromatin modifications in cortical excitatory neurons. Loss of Dnmt3a abolished postnatal accumulation of CG and non-CG DNA methylation, leaving neurons with an unmethylated, fetal-like epigenomic pattern at ~140,000 genomic regions. The PRC2 associated histone modification H3K27me3 increased at many of these sites, partially compensating for the loss of DNA methylation. Our results suggest a complex interaction between two key modes of epigenetic repression of gene expression during brain development that supports cognitive function in adulthood.