Building a brain The human brain is built in an inside-out manner as a series of layers. Although progenitor cells spin off new neurons in a seemingly organized fashion, the devil is in the details. Nowakowski et al. analyzed the transcriptomes of single cells from the developing brain to elucidate the hidden complexity of brain construction. For each cell, its position within the brain matters, as well as what type of neuron is being made at what point during overall development. These individual expression patterns result in organized diversity in the brain's cortex. Science , this issue p. 1318

Brain cell transcriptomes in autism Autism manifests in many ways. Despite that diversity, the disorder seems to affect specific cellular pathways, including those observed in the neocortex of patients' brains. Velmeshev et al. analyzed the transcriptomes of single brain cells, including neurons and glia, from patients with autism. Single-nucleus RNA sequencing analysis suggested that affected pathways regulate synapse function as well as neural outgrowth and migration. Furthermore, in patient samples, specific sets of genes enriched in upper-layer projection neurons and microglia correlated with clinical severity. Science , this issue p. 685

Multiple sclerosis (MS) is a neuroinflammatory disease with a relapsing-remitting disease course at early stages, distinct lesion characteristics in cortical grey versus subcortical white matter and neurodegeneration at chronic stages. Here we used single-nucleus RNA sequencing to assess changes in expression in multiple cell lineages in MS lesions and validated the results using multiplex in situ hybridization. We found selective vulnerability and loss of excitatory CUX2-expressing projection neurons in upper-cortical layers underlying meningeal inflammation; such MS neuron populations exhibited upregulation of stress pathway genes and long non-coding RNAs. Signatures of stressed oligodendrocytes, reactive astrocytes and activated microglia mapped most strongly to the rim of MS plaques. Notably, single-nucleus RNA sequencing identified phagocytosing microglia and/or macrophages by their ingestion and perinuclear import of myelin transcripts, confirmed by functional mouse and human culture assays. Our findings indicate lineage- and region-specific transcriptomic changes associated with selective cortical neuron damage and glial activation contributing to progression of MS lesions.

Summary

 Glioblastoma is a devastating form of brain cancer. To identify aspects of tumor heterogeneity that may illuminate drivers of tumor invasion, we created a glioblastoma tumor cell atlas with single-cell transcriptomics of cancer cells mapped onto a reference framework of the developing and adult human brain. We find that multiple GSC subtypes exist within a single tumor. Within these GSCs, we identify an invasive cell population similar to outer radial glia (oRG), a fetal cell type that expands the stem cell niche in normal human cortex. Using live time-lapse imaging of primary resected tumors, we discover that tumor-derived oRG-like cells undergo characteristic mitotic somal translocation behavior previously only observed in human development, suggesting a reactivation of developmental programs. In addition, we show that PTPRZ1 mediates both mitotic somal translocation and glioblastoma tumor invasion. These data suggest that the presence of heterogeneous GSCs may underlie glioblastoma's rapid progression and invasion.

The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) readily infects a variety of cell types impacting the function of vital organ systems, with particularly severe impact on respiratory function. It proves fatal for one percent of those infected. Neurological symptoms, which range in severity, accompany a significant proportion of COVID-19 cases, indicating a potential vulnerability of neural cell types. To assess whether human cortical cells can be directly infected by SARS-CoV-2, we utilized primary human cortical tissue and stem cell-derived cortical organoids. We find significant and predominant infection in cortical astrocytes in both primary and organoid cultures, with minimal infection of other cortical populations. Infected astrocytes had a corresponding increase in reactivity characteristics, growth factor signaling, and cellular stress. Although human cortical cells, including astrocytes, have minimal ACE2 expression, we find high levels of alternative coronavirus receptors in infected astrocytes, including DPP4 and CD147. Inhibition of DPP4 reduced infection and decreased expression of the cell stress marker, ARCN1. We find tropism of SARS-CoV-2 for human astrocytes mediated by DPP4, resulting in reactive gliosis-type injury.

Abstract We analyze more than 700,000 single-nucleus RNA-seq profiles from 106 donors during prenatal and postnatal developmental stages and identify lineage-specific programs that underlie the development of specific subtypes of excitatory cortical neurons, interneurons, glial cell types and brain vasculature. By leveraging single-nucleus chromatin accessibility data, we delineate enhancer-gene regulatory networks and transcription factors that control commitment of specific cortical lineages. By intersecting our results with genetic risk factors for human brain diseases, we identify the cortical cell types and lineages most vulnerable to genetic insults of different brain disorders, especially autism. We find that lineage-specific gene expression programs upregulated in female cells are especially enriched for the genetic risk factors of autism. Our study captures the molecular progression of cortical lineages across human development. One Sentence Summary Single-cell transcriptomic atlas of human cortical development identifies lineage and sex-specific programs and their implication in brain disorders.

Abstract Cortical interneurons are indispensable for proper function of neocortical circuits. Changes in interneuron development and function are implicated in human disorders, such as autism spectrum disorder and epilepsy. In order to understand human-specific features of cortical development as well as the origins of neurodevelopmental disorders it is crucial to identify the molecular programs underlying human interneuron development and subtype specification. Recent studies have explored gene expression programs underlying mouse interneuron specification and maturation. We applied single-cell RNA sequencing to samples of second trimester human ganglionic eminence and developing cortex to identify molecularly defined subtypes of human interneuron progenitors and immature interneurons. In addition, we integrated this data from the developing human ganglionic eminences and neocortex with single-nucleus RNA-seq of adult cortical interneurons in order to elucidate dynamic molecular changes associated with commitment of progenitors and immature interneurons to mature interneuron subtypes. By comparing our data with published mouse single-cell genomic data, we discover a number of divergent gene expression programs that distinguish human interneuron progenitors from mouse. Moreover, we find that a number of transcription factors expressed during prenatal development become restricted to adult interneuron subtypes in the human but not the mouse, and these adult interneurons express species- and lineage-specific cell adhesion and synaptic genes. Therefore, our study highlights that despite the similarity of main principles of cortical interneuron development and lineage commitment between mouse and human, human interneuron genesis and subtype specification is guided by species-specific gene programs, contributing to human-specific features of cortical inhibitory interneurons.

Abstract One of the main drivers of autism spectrum disorder is risk alleles within hundreds of genes, which may interact within shared but unknown protein complexes. Here we develop a scalable genome-editing-mediated approach to target 14 high-confidence autism risk genes within the mouse brain for proximity-based endogenous proteomics, achieving high specificity spatial interactomes compared to prior methods. The resulting native proximity interactomes are enriched for human genes dysregulated in the brain of autistic individuals and reveal unexpected and highly significant interactions with other lower-confidence autism risk gene products, positing new avenues to prioritize genetic risk. Importantly, the datasets are enriched for shared cellular functions and genetic interactions that may underlie the condition. We test this notion by spatial proteomics and CRISPR-based regulation of expression in two autism models, demonstrating functional interactions that modulate mechanisms of their dysregulation. Together, these results reveal native proteome networks in vivo relevant to autism, providing new inroads for understanding and manipulating the cellular drivers underpinning its etiology.

Abstract Background LRRK2-targeting therapeutics that inhibit LRRK2 kinase activity have advanced to clinical trials in idiopathic Parkinson’s disease (iPD). LRRK2 phosphorylates Rab10 on endolysosomes in phagocytic cells to promote some types of immunological responses. The identification of factors that regulate LRRK2-mediated Rab10 phosphorylation in iPD, and whether phosphorylated-Rab10 levels change in different disease states, or with disease progression, may provide insights into the role of Rab10 phosphorylation in iPD and help guide therapeutic strategies targeting this pathway. Methods Capitalizing on past work demonstrating LRRK2 and phosphorylated-Rab10 interact on vesicles that can shed into biofluids, we developed and validated a high-throughput single-molecule array assay to measure extracellular pT73-Rab10. Ratios of pT73-Rab10 to total Rab10 measured in biobanked serum samples were compared between informative groups of transgenic mice, rats, and a deeply phenotyped cohort of iPD cases and controls. Multivariable and weighted correlation network analyses were used to identify genetic, transcriptomic, clinical, and demographic variables that predict the extracellular pT73-Rab10 to total Rab10 ratio. Results pT73-Rab10 is absent in serum from Lrrk2 knockout mice but elevated by LRRK2 and VPS35 mutations, as well as SNCA expression. Bone-marrow transplantation experiments in mice show that serum pT73-Rab10 levels derive primarily from circulating immune cells. The extracellular ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 is dynamic, increasing with inflammation and rapidly decreasing with LRRK2 kinase inhibition. The ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 is elevated in iPD patients with greater motor dysfunction, irrespective of disease duration, age, sex, or the usage of PD-related or anti-inflammatory medications. pT73-Rab10 to total Rab10 ratios are associated with neutrophil degranulation, antigenic responses, and suppressed platelet activation. Conclusions The extracellular serum ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 is a novel pharmacodynamic biomarker for LRRK2-linked innate immune activation associated with disease severity in iPD. We propose that those iPD patients with higher serum pT73-Rab10 levels may benefit from LRRK2-targeting therapeutics that mitigate associated deleterious immunological responses.

Abstract Background LRRK2-targeting therapeutics that inhibit LRRK2 kinase activity have advanced to clinical trials in idiopathic Parkinson’s disease (iPD). LRRK2 phosphorylates Rab10 on endolysosomes in phagocytic cells to promote some types of immunological responses. The identification of factors that regulate LRRK2-mediated Rab10 phosphorylation in iPD, and whether phosphorylated-Rab10 levels change in different disease states, or with disease progression, may provide insights into the role of Rab10 phosphorylation in iPD and help guide therapeutic strategies targeting this pathway. Methods Capitalizing on past work demonstrating LRRK2 and phosphorylated-Rab10 interact on vesicles that can shed into biofluids, we developed and validated a high-throughput single-molecule array assay to measure extracellular pT73-Rab10. Ratios of pT73-Rab10 to total Rab10 measured in biobanked serum samples were compared between informative groups of transgenic mice, rats, and a deeply phenotyped cohort of iPD cases and controls. Multivariable and weighted correlation network analyses were used to identify genetic, transcriptomic, clinical, and demographic variables that predict the extracellular pT73-Rab10 to total Rab10 ratio. Results pT73-Rab10 is absent in serum from Lrrk2 knockout mice but elevated by LRRK2 and VPS35 mutations, as well as SNCA expression. Bone-marrow transplantation experiments in mice show that serum pT73-Rab10 levels derive primarily from circulating immune cells. The extracellular ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 is dynamic, increasing with inflammation and rapidly decreasing with LRRK2 kinase inhibition. The ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 is elevated in iPD patients with greater motor dysfunction, irrespective of disease duration, age, sex, or the usage of PD-related or anti-inflammatory medications. pT73-Rab10 to total Rab10 ratios are associated with neutrophil activation, antigenic responses, and the suppression of platelet activation. Conclusions The extracellular ratio of pT73-Rab10 to total Rab10 in serum is a novel pharmacodynamic biomarker for LRRK2-linked innate immune activation associated with disease severity in iPD. We propose that those iPD patients with higher serum pT73-Rab10 levels may benefit from LRRK2-targeting therapeutics to mitigate associated deleterious immunological responses.