Abstract Schizophrenia risk is associated with increased gene copy number and brain expression of complement component 4 ( C4 ). Because the complement system facilitates synaptic pruning, the C4 association has renewed interest in a hypothesis that excessive pruning contributes to schizophrenia pathogenesis. However, little is known about complement regulation in neural tissues or whether such regulation could be relevant to psychiatric illness. Intriguingly, common variation within CSMD1 , which encodes a putative complement inhibitor, has consistently associated with schizophrenia at genome-wide significance. We found that Csmd1 is predominantly expressed in the brain by neurons, and is enriched at synapses; that human stem cell-derived neurons lacking CSMD1 are more vulnerable to complement deposition; and that mice lacking Csmd1 have increased brain complement activity, fewer synapses, aberrant complement-dependent development of a neural circuit, and synaptic elements that are preferentially engulfed by cultured microglia. These data suggest that CSMD1 opposes the complement cascade in neural tissues. Graphic Abstract. Our findings support a model in which CSMD1 opposes actions of the complement cascade in neural tissues (top left). We investigated two models in which Csmd1 was genetically ablated: human cortical neurons derived from embryonic stem cells, and a back-crossed C57bl6-Tac mouse line (top right). Csmd1 is normally expressed by neurons and present at synapses where it can protect them from complement (bottom left); in the absence of Csmd1 (bottom right), we find more deposition of complement (on cultured human cortical neurons and in the mouse visual system), reduced numbers of synapses (in the mouse visual system), and synaptic fractions that are more readily engulfed by microglia ( ex vivo ). Created with BioRender.com .

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by motor neuron loss accompanied by cytoplasmic localization of TDP-43 proteins and their insoluble accumulations. Haploinsufficiency of TBK1 has been found to associate with or cause ALS. However, the cell-autonomous mechanisms by which reduced TBK1 activity contributes to human motor neuron pathology remain elusive. Here, we generated a human cellular model harboring loss-of-function mutations of TBK1 by gene editing and found that TBK1 deficiency was sufficient to cause TDP-43 pathology in human motor neurons. In addition to its functions in autophagy, we found that TBK1 interacted with endosomes and was required for normal endosomal maturation and subsequent lysosomal acidification. Surprisingly, TDP-43 pathology resulted more from the dysfunctional endo-lysosomal pathway than the previously recognized autophagy inhibition mechanism. Restoring TBK1 levels ameliorated lysosomal dysfunction and TDP-43 pathology and maintained normal motor neuron homeostasis. Notably, using patient-derived motor neurons, we found that haploinsufficiency of TBK1 sensitized neurons to lysosomal stress, and chemical regulators of endosomal maturation rescued the neurodegenerative process. Together, our results revealed the mechanism of TBK1 in maintaining TDP-43 and motor neuron homeostasis and suggested that modulating endosomal maturation was able to rescue neurodegenerative disease phenotypes caused by TBK1 deficiency.

Abstract Microglia have emerged as key players in the pathogenesis of neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s disease (AD). In response to CNS stimuli, these cells adopt distinct transcriptional and functional subtypes known as states. However, an understanding of the function of these states has been elusive, especially in human microglia, due to lack of tools to model and manipulate this cell-type. Here, we provide a platform for modeling human microglia transcriptional states in vitro . Using single-cell RNA sequencing, we found that exposure of human stem-cell differentiated microglia (iMGLs) to brain-related challenges generated extensive transcriptional diversity which mapped to gene signatures identified in human brain microglia. We identified two in vitro transcriptional clusters that were analogous to human and mouse disease-associated microglia (DAMs), a state enriched in neurodegenerative disease contexts. To facilitate scalable functional analyses, we established a lentiviral approach enabling broad and highly efficient genetic transduction of microglia in vitro . Using this new technology, we demonstrated that MITF (Melanocyte Inducing Transcription Factor), an AD-enriched transcription factor in microglia, drives both a disease-associated transcriptional signature and a highly phagocytic state. Finally, we confirmed these results across iMGLs differentiated from multiple iPSC lines demonstrating the broad utility of this platform. Together, these tools provide a comprehensive resource that enables the manipulation and functional interrogation of human microglial states in both homeostatic and disease-relevant contexts.

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

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

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 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.

Abstract The morphology of cells is dynamic and mediated by genetic and environmental factors. Characterizing how genetic variation impacts cell morphology can provide an important link between disease association and cellular function. Here, we combined genomic and high-content imaging approaches on iPSCs from 297 unique donors to investigate the relationship between genetic variants and cellular morphology to map what we term cell morphological quantitative trait loci (cmQTLs). We identified novel associations between rare protein altering variants in WASF2, TSPAN15 , and PRLR with several morphological traits related to cell shape, nucleic granularity, and mitochondrial distribution. Knockdown of these genes by CRISPRi confirmed their role in cell morphology. Analysis of common variants yielded one significant association and nominated over 300 variants with suggestive evidence (P<10 -6 ) of association with one or more morphology traits. Our results showed that, similar to other molecular phenotypes, morphological profiling can yield insight about the function of genes and variants.

Abstract Combining genetic and cell-type-specific proteomic datasets can lead to new biological insights and therapeutic hypotheses, but a technical and statistical framework for such analyses is lacking. Here, we present an open-source computational tool called Genoppi that enables robust, standardized, and intuitive integration of quantitative proteomic results with genetic data. We used Genoppi to analyze sixteen cell-type-specific protein interaction datasets of four proteins (TDP-43, MDM2, PTEN, and BCL2) involved in cancer and neurological disease. Through systematic quality control of the data and integration with published protein interactions, we show a general pattern of both cell-type-independent and cell-type-specific interactions across three cancer and one human iPSC-derived neuronal type. Furthermore, through the integration of proteomic and genetic datasets in Genoppi, our results suggest that the neuron-specific interactions of these proteins are mediating their genetic involvement in neurodevelopmental and neurodegenerative diseases. Importantly, our analyses indicate that human iPSC-derived neurons are a relevant model system for studying the involvement of TDP-43 and BCL2 in amyotrophic lateral sclerosis.