The authors surveyed whole-exome and RNA-sequencing data from 252 unique pluripotent stem cell lines, some of which are in the pipeline for clinical use, and found that approximately 5% of cell lines had acquired mutations in the TP53 gene that allow mutant cells to rapidly outcompete non-mutant cells, but do not prevent differentiation. Copy number variants at particular genomic locations have been shown to arise in human pluripotent stem cells (hPSCs) under certain culture conditions, but the extent of acquired mutations in such culture remains to be determined. Kevin Eggan and colleagues surveyed the exomes of 140 human embryonic stem cell (hESC) lines, some of which are in the pipeline for clinical use.They identified mosaic mutations in the TP53 gene in a subset of cells for five unrelated hESC lines and show that the cells carrying the mutations outcompeted the non-mutant cells and could readily differentiate. Similar mutations were also identified by mining published datasets for an additional 14 hESC lines and more than 100 human induced PSC lines. The study highlights the need for in-depth characterization of cells derived from hPSCs before their use in the clinic. Human pluripotent stem cells (hPS cells) can self-renew indefinitely, making them an attractive source for regenerative therapies. This expansion potential has been linked with the acquisition of large copy number variants that provide mutated cells with a growth advantage in culture1,2,3. The nature, extent and functional effects of other acquired genome sequence mutations in cultured hPS cells are not known. Here we sequence the protein-coding genes (exomes) of 140 independent human embryonic stem cell (hES cell) lines, including 26 lines prepared for potential clinical use4. We then apply computational strategies for identifying mutations present in a subset of cells in each hES cell line5. Although such mosaic mutations were generally rare, we identified five unrelated hES cell lines that carried six mutations in the TP53 gene that encodes the tumour suppressor P53. The TP53 mutations we observed are dominant negative and are the mutations most commonly seen in human cancers. We found that the TP53 mutant allelic fraction increased with passage number under standard culture conditions, suggesting that the P53 mutations confer selective advantage. We then mined published RNA sequencing data from 117 hPS cell lines, and observed another nine TP53 mutations, all resulting in coding changes in the DNA-binding domain of P53. In three lines, the allelic fraction exceeded 50%, suggesting additional selective advantage resulting from the loss of heterozygosity at the TP53 locus. As the acquisition and expansion of cancer-associated mutations in hPS cells may go unnoticed during most applications, we suggest that careful genetic characterization of hPS cells and their differentiated derivatives be carried out before clinical use.

C9ORF72 mutations are found in a significant fraction of patients suffering from amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia, yet the function of the C9ORF72 gene product remains poorly understood. We show that mice harboring loss-of-function mutations in the ortholog of C9ORF72 develop splenomegaly, neutrophilia, thrombocytopenia, increased expression of inflammatory cytokines, and severe autoimmunity, ultimately leading to a high mortality rate. Transplantation of mutant mouse bone marrow into wild-type recipients was sufficient to recapitulate the phenotypes observed in the mutant animals, including autoimmunity and premature mortality. Reciprocally, transplantation of wild-type mouse bone marrow into mutant mice improved their phenotype. We conclude that C9ORF72 serves an important function within the hematopoietic system to restrict inflammation and the development of autoimmunity.

Transcription factor programming of pluripotent stem cells (PSCs) has emerged as an approach to generate human neurons for disease modeling. However, programming schemes produce a variety of cell types, and those neurons that are made often retain an immature phenotype, which limits their utility in modeling neuronal processes, including synaptic transmission. We report that combining NGN2 programming with SMAD and WNT inhibition generates human patterned induced neurons (hpiNs). Single-cell analyses showed that hpiN cultures contained cells along a developmental continuum, ranging from poorly differentiated neuronal progenitors to well-differentiated, excitatory glutamatergic neurons. The most differentiated neurons could be identified using a CAMK2A::GFP reporter gene and exhibited greater functionality, including NMDAR-mediated synaptic transmission. We conclude that utilizing single-cell and reporter gene approaches for selecting successfully programmed cells for study will greatly enhance the utility of hpiNs and other programmed neuronal populations in the modeling of nervous system disorders.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by a progressive loss of motor function. The eponymous spinal sclerosis observed at autopsy is the result of the degeneration of extratelencephalic neurons, Betz cells (ETNs, Cortico-Spinal Motor Neuron). It remains unclear why this neuronal subtype is selectively affected. To understand the unique molecular properties that sensitise these cells to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In unaffected individuals, we found that expression of ALS risk genes was significantly enriched in THY1 + -ETNs and not in other cell types. In patients, these genetic risk factors, as well as genes involved in protein homeostasis and stress responses, were significantly induced in a wide collection of ETNs, but not in neurons with more superficial identities. Examination of oligodendroglial and microglial nuclei revealed patient-specific changes that were at least in part a response to alterations in neurons: downregulation of myelinating genes in oligodendrocytes and upregulation of a reactive state connected to endo-lysosomal pathways in microglia. Our findings suggest that the selective vulnerability of extratelencephalic neurons is partly connected to their intrinsic molecular properties sensitising them to genetics and mechanisms of degeneration. Graphical abstract and working model Our study highlights cell type specific changes in premotor/motor cortex of sporadic ALS patients. Specifically, we identify upregulation of synaptic molecules in excitatory neurons of upper cortical layers, interestingly correlating to hyperexcitability phenotypes seen in patients. Moreover, excitatory neurons of the deeper layers of the cortex, that project to the spinal cord and are most affected by the disease, show higher levels of cellular stresses than other neuronal types. Correspondently, oligodendrocytes transition from a highly myelinating state to a more neuronally engaged state, probably to counteract stressed phenotypes seen in excitatory neurons. At the same time, microglia show a reactive state with specific upregulation of endo-lysosomal pathways.

SUMMARY Variation in the human genome contributes to abundant diversity in human traits and vulnerabilities, but the underlying molecular and cellular mechanisms are not yet known, and will need scalable approaches to accelerate their recognition. Here, we advanced and applied an experimental platform that analyzes genetic, molecular, and phenotypic heterogeneity across cells from very many human donors cultured in a single, shared in vitro environment, with algorithms (Dropulation and Census-seq) for assigning phenotypes to individual donors. We used natural genetic variation and synthetic (CRISPR-Cas9) genetic perturbations to analyze the vulnerability of neural progenitor cells to infection with Zika virus. These analyses identified a common variant in the antiviral IFITM3 gene that regulated IFITM3 expression and explained most inter-individual variation in NPCs’ susceptibility to Zika virus infectivity. These and other approaches could provide scalable ways to recognize the impact of genes and genetic variation on cellular phenotypes. HIGHLIGHTS Measuring cellular phenotypes in iPSCs and hPSC-derived NPCs from many donors Effects of donor sex, cell source, genetic and other variables on hPSC RNA expression Natural genetic variation and synthetic perturbation screens both identify IFITM3 in NPC susceptibility to Zika virus A common genetic variant in IFITM3 explains most inter-individual variation in NPC susceptibility to Zika virus

Human brains vary across people and over time; such variation is not yet understood in cellular terms. Here we describe a relationship between people's cortical neurons and cortical astrocytes. We used single-nucleus RNA sequencing to analyse the prefrontal cortex of 191 human donors aged 22-97 years, including healthy individuals and people with schizophrenia. Latent-factor analysis of these data revealed that, in people whose cortical neurons more strongly expressed genes encoding synaptic components, cortical astrocytes more strongly expressed distinct genes with synaptic functions and genes for synthesizing cholesterol, an astrocyte-supplied component of synaptic membranes. We call this relationship the synaptic neuron and astrocyte program (SNAP). In schizophrenia and ageing-two conditions that involve declines in cognitive flexibility and plasticity1,2-cells divested from SNAP: astrocytes, glutamatergic (excitatory) neurons and GABAergic (inhibitory) neurons all showed reduced SNAP expression to corresponding degrees. The distinct astrocytic and neuronal components of SNAP both involved genes in which genetic risk factors for schizophrenia were strongly concentrated. SNAP, which varies quantitatively even among healthy people of similar age, may underlie many aspects of normal human interindividual differences and may be an important point of convergence for multiple kinds of pathophysiology.

ABSTRACT Schizophrenia (SZ) is a common and debilitating psychiatric disorder with limited effective treatment options. Although highly heritable, risk for this polygenic disorder depends on the complex interplay of hundreds of common and rare variants. Translating the growing list of genetic loci significantly associated with disease into medically actionable information remains an important challenge. Thus, establishing platforms with which to validate the impact of risk variants in cell-type-specific and donor-dependent contexts is critical. Towards this, we selected and characterize a collection of twelve human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines derived from control donors with extremely low and high SZ polygenic risk scores (PRS). These hiPSC lines are publicly available at the California Institute for Regenerative Medicine (CIRM). The suitability of these extreme PRS hiPSCs for CRISPR-based isogenic comparisons of neurons and glia was evaluated across three independent laboratories, identifying 9 out of 12 meeting our criteria. We report a standardized resource of publicly available hiPSCs, with which we collectively commit to conducting future CRISPR-engineering, in order to facilitate comparison and integration of functional validation studies across the field of psychiatric genetics.

SUMMARY Human pluripotent stem cells (hPSCs) are a powerful tool for disease modelling and drug discovery, especially when access to primary tissue is limited, such as in the brain. Current neuronal differentiation approaches use either small molecules for directed differentiation or transcription-factor-mediated programming. In this study we coupled the overexpression of the neuralising transcription factor Neurogenin2 ( Ngn2 ) with small molecule patterning to differentiate hPSCs into lower induced Motor Neurons (liMoNes). We showed that this approach induced activation of the motor neuron (MN) specific transcription factor Hb9/MNX1 , using an Hb9 ::GFP-reporter line, with up to 95% of cells becoming Hb9 ::GFP + . These cells acquired and maintained expression of canonical early and mature MN markers. Molecular and functional profiling revealed that liMoNes resembled bona fide hPSC-derived MN differentiated by conventional small molecule patterning. liMoNes exhibited spontaneous electrical activity, expressed synaptic markers and formed contacts with muscle cells in vitro . Pooled, multiplex single-cell RNA sequencing on 50 cell lines revealed multiple anatomically distinct MN subtypes of cervical and brachial, limb-innervating MNs in reproducible quantities. We conclude that combining small molecule patterning with Ngn2 can facilitate the high-yield, robust and reproducible production of multiple disease-relevant MN subtypes, which is fundamental in the path to propel forward our knowledge of motoneuron biology and its disruption in disease.

ABSTRACT There has not yet been a systematic analysis of hESC whole genomes at a single nucleotide resolution. We therefore performed whole genome sequencing (WGS) of 143 hESC lines and annotated their single nucleotide and structural genetic variants. We found that while a substantial fraction of hESC lines contained large deleterious structural variants, finer scale structural and single nucleotide variants (SNVs) that are ascertainable only through WGS analyses were present in hESCs genomes and human blood-derived genomes at similar frequencies. However, WGS did identify SNVs associated with cancer or other diseases that will likely alter cellular phenotypes and may compromise the safety of hESC-derived cellular products transplanted into humans. As a resource to enable reproducible hESC research and safer translation, we provide a user-friendly WGS data portal and a data-driven scheme for cell line maintenance and selection. GRAPHICAL ABSTRACT IN BRIEF Merkle and Ghosh et al. describe insights from the whole genome sequences of commonly used human embryonic stem cell (hESC) lines. Analyses of these sequences show that while hESC genomes had more large structural variants than humans do from genetic inheritance, hESCs did not have an observable excess of finer-scale variants. However, many hESC lines contained rare loss-of-function variants and combinations of common variants that may profoundly shape their biological phenotypes. Thus, genome sequencing data can be valuable to those selecting cell lines for a given biological or clinical application, and the sequences and analysis reported here should facilitate such choices. HIGHLIGHTS One third of hESCs we analysed are siblings, and almost all are of European ancestry Large structural variants are common in hESCs, but finer-scale variation is similar to that human populations Many strong-effect loss-of-function mutations and cancer-associated mutations are present in specific hESC lines We provide user-friendly resources for rational hESC line selection based on genome sequence