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

Abstract Olfactory circuits function at birth, yet are continuously remodeled through the integration of adult-born interneurons into the olfactory bulb in a manner that preserves olfactory perceptual stability throughout adult life. The mechanisms that ensure appropriate circuit stability in this dynamic context remain poorly understood. Since interneurons sculpt the excitatory output of mitral and tufted (MT) neurons to the olfactory cortex, we predicted that MT neurons might instruct interneuron wiring in the adult brain. By blocking synaptic transmission from MT neurons we show that MT neuronal activity is critical to maintain olfactory bulb integrity and interneuron survival. Blocking interneuron death uncovered a second activity-dependent checkpoint regulating dendrite branching. In contrast, cortical circuits and MT neurons remain stable in the face of these silent and degenerating olfactory circuits. These studies identify a circuit-specific role for non-sensory activity in regulating integration of neurons into the adult brain, as predicted by previous computational models.

Summary Tens of thousands of genetic variants shape human phenotypes, mostly by unknown cellular mechanisms. Here we describe Census-seq, a way to measure cellular phenotypes in cells from many people simultaneously. Analogous to pooled CRISPR screens but for natural variation, Census-seq associates cellular phenotypes to donors’ genotypes by quantifying the presence of each donor’s DNA in cell “villages” before and after sorting or selection for cellular traits of interest. Census-seq enables population-scale cell-biological phenotyping with low cost and high internal control. We demonstrate Census-seq through investigation of genetic effects on the SMN protein whose deficiency underlies spinal muscular atrophy (SMA). Census-seq quantified and mapped effects of many common alleles on SMN protein levels and response to SMN-targeted therapeutics, including a common, cryptic non-responder allele. We provide tools enabling population-scale cell experiments and explain how Census-seq can be used to map genetic effects on diverse cell phenotypes. Abstract Figure Highlights Census-seq reveals how inherited genetic variation affects cell phenotypes Genetic analysis of cellular traits in cell villages of >100 donors Characterizing human alleles that shape SMN protein expression and drug responses Development of protocols and software to enable cellular population genetics

Human brains vary across people and over time; such variation is not yet understood in cellular terms. Here we describe a striking relationship between people's cortical neurons and cortical astrocytes. We used single-nucleus RNA-seq to analyze the prefrontal cortex of 191 human donors ages 22-97 years, including healthy individuals and persons with schizophrenia. Latent-factor analysis of these data revealed that in persons whose cortical neurons more strongly expressed genes for 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 aging - two conditions that involve declines in cognitive flexibility and plasticity 1,2 - cells had divested from SNAP: astrocytes, glutamatergic (excitatory) neurons, and GABAergic (inhibitory) neurons all 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 persons of similar age, may underlie many aspects of normal human interindividual differences and be an important point of convergence for multiple kinds of pathophysiology.

To discover novel genetic risk factors underlying amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we aggregated exomes from 3,864 cases and 7,839 ancestry matched controls. We observed a significant excess of ultra-rare and rare protein-truncating variants (PTV) among ALS cases, which was primarily concentrated in constrained genes; however, a significant enrichment in PTVs does persist in the remaining exome. Through gene level analyses, known ALS genes, SOD1, NEK1, and FUS, were the most strongly associated with disease status. We also observed suggestive statistical evidence for multiple novel genes including DNAJC7, which is a highly constrained gene and a member of the heat shock protein family (HSP40). HSP40 proteins, along with HSP70 proteins, facilitate protein homeostasis, such as folding of newly synthesized polypeptides, and clearance of degraded proteins. When these processes are not regulated, misfolding and accumulation of degraded proteins can occur leading to aberrant protein aggregation, one of the pathological hallmarks of neurodegeneration.