Abstract Neuropsychiatric disorders classically lack defining brain pathologies, but recent work has demonstrated dysregulation at the molecular level, characterized by transcriptomic and epigenetic alterations 1–3 . In autism spectrum disorder (ASD), this molecular pathology involves the upregulation of microglial, astrocyte and neural–immune genes, the downregulation of synaptic genes, and attenuation of gene-expression gradients in cortex 1,2,4–6 . However, whether these changes are limited to cortical association regions or are more widespread remains unknown. To address this issue, we performed RNA-sequencing analysis of 725 brain samples spanning 11 cortical areas from 112 post-mortem samples from individuals with ASD and neurotypical controls. We find widespread transcriptomic changes across the cortex in ASD, exhibiting an anterior-to-posterior gradient, with the greatest differences in primary visual cortex, coincident with an attenuation of the typical transcriptomic differences between cortical regions. Single-nucleus RNA-sequencing and methylation profiling demonstrate that this robust molecular signature reflects changes in cell-type-specific gene expression, particularly affecting excitatory neurons and glia. Both rare and common ASD-associated genetic variation converge within a downregulated co-expression module involving synaptic signalling, and common variation alone is enriched within a module of upregulated protein chaperone genes. These results highlight widespread molecular changes across the cerebral cortex in ASD, extending beyond association cortex to broadly involve primary sensory regions.

Abstract Aggregation of hyperphosphorylated tau in neurofibrillary tangles (NFTs) is closely associated with neuronal death and cognitive decline in Alzheimer’s disease (AD). To define the signatures that distinguish between aggregation-prone and resistant cell states in AD, we developed a FACS-based method for the high-throughput isolation and transcriptome profiling of individual cells with cytoplasmic aggregates and profiled 63,110 somas from human AD brains. By comparing NFT-bearing and NFT-free somas within and across neuronal subtypes, we identified the cell-type-specific and shared states. NFT-bearing neurons shared a marked upregulation of genes associated with synaptic transmission, including a core set of 63 genes enriched for synaptic vesicle cycle and transsynaptic signaling, whereas glucose metabolism and oxidative phosphorylation changes were highly neuronal-subtype-specific. Apoptosis was modestly enriched in NFT-bearing neurons despite the strong link between tau and cell death. Our datasets provide a resource for investigating tau-mediated neurodegeneration and a platform for biomarker and drug target discovery.

Biological systems are immensely complex, organized into a multi-scale hierarchy of functional units based on tightly-regulated interactions between distinct molecules, cells, organs, and organisms. While experimental methods enable transcriptome-wide measurements across millions of cells, the most ubiquitous bioinformatic tools do not support systems-level analysis. Here we present hdWGCNA, a comprehensive framework for analyzing co-expression networks in high dimensional transcriptomics data such as single-cell and spatial RNA-seq. hdWGCNA provides built-in functions for network inference, gene module identification, functional gene enrichment analysis, statistical tests for network reproducibility, and data visualization. In addition to conventional single-cell RNA-seq, hdWGCNA is capable of performing isoform-level network analysis using long-read single-cell data. We showcase hdWGCNA using publicly available single-cell datasets from Autism spectrum disorder and Alzheimer’s disease brain samples, identifying disease-relevant co-expression network modules in specific cell populations. hdWGCNA is directly compatible with Seurat, a widely-used R package for single-cell and spatial transcriptomics analysis, and we demonstrate the scalability of hdWGCNA by analyzing a dataset containing nearly one million cells.

Abstract Classically, psychiatric disorders have been considered to lack defining pathology, but recent work has demonstrated consistent disruption at the molecular level, characterized by transcriptomic and epigenetic alterations. 1–3 In ASD, upregulation of microglial, astrocyte, and immune signaling genes, downregulation of specific synaptic genes, and attenuation of regional gene expression differences are observed. 1,2,4–6 However, whether these changes are limited to the cortical association areas profiled is unknown. Here, we perform RNA-sequencing (RNA-seq) on 725 brain samples spanning 11 distinct cortical areas in 112 ASD cases and neurotypical controls. We identify substantially more genes and isoforms that differentiate ASD from controls than previously observed. These alterations are pervasive and cortex-wide, but vary in magnitude across regions, roughly showing an anterior to posterior gradient, with the strongest signal in visual cortex, followed by parietal cortex and the temporal lobe. We find a notable enrichment of ASD genetic risk variants among cortex-wide downregulated synaptic plasticity genes and upregulated protein folding gene isoforms. Finally, using snRNA-seq, we determine that regional variation in the magnitude of transcriptomic dysregulation reflects changes in cellular proportion and cell-type-specific gene expression, particularly impacting L3/4 excitatory neurons. These results highlight widespread, genetically-driven neuronal dysfunction as a major component of ASD pathology in the cerebral cortex, extending beyond association cortices to involve primary sensory regions.

Abstract Central nervous system (CNS) lesions become surrounded by neuroprotective borders of newly proliferated reactive astrocytes; however, fundamental features of these cells are poorly understood. Here we show that following spinal cord injury or stroke, 90% and 10% of border-forming astrocytes derive, respectively, from proliferating local astrocytes and oligodendrocyte progenitor cells in adult mice of both sexes. Temporal transcriptome analysis, single-nucleus RNA sequencing and immunohistochemistry show that after focal CNS injury, local mature astrocytes dedifferentiate, proliferate and become transcriptionally reprogrammed to permanently altered new states, with persisting downregulation of molecules associated with astrocyte–neuron interactions and upregulation of molecules associated with wound healing, microbial defense and interactions with stromal and immune cells. These wound repair astrocytes share morphologic and transcriptional features with perimeningeal limitans astrocytes and are the predominant source of neuroprotective borders that re-establish CNS integrity around lesions by separating neural parenchyma from stromal and immune cells as occurs throughout the healthy CNS.

Abstract The complexity of affected brain regions and cell types is a challenge for Huntington’s disease (HD) treatment. Here we used single nucleus RNA sequencing (snRNAseq) to investigate mechanism of pathology in the cortex and striatum from R6/2 mice at 8 and 12w and in three regions of human HD post-mortem tissue. We identified cell type-specific and cell agnostic signatures and found changes suggesting oligodendrocytes (OLs) and oligodendrocyte precursors (OPCs) were arrested in intermediate maturation states. OL-lineage regulators OLIG1 and OLIG2 were negatively correlated with CAG length in human OPCs, and ATACseq analysis of HD mouse NeuN-negative cells showed decreased accessibility of sites regulated by OL maturation genes. Glucose and lipid metabolism were implicated in abnormal cell maturation and PRKCE and Thiamine Pyrophosphokinase 1 were identified as central genes. High dose thiamine/biotin treatment of R6/1 HD mice to target thiamine metabolism not only restored OL maturation, but also rescued pathology in neurons. These findings reveal insights into HD OL pathology that spans multiple brain regions and link OL maturation deficits to abnormal thiamine metabolism.

ABSTRACT Genome-Wide Association Studies revealed the TREM2 R47H variant as one of the strongest genetic risk factors for late-onset Alzheimer’s Disease (AD). Unfortunately, many current TREM2 *R47H mouse models are associated with cryptic mRNA splicing of the mutant allele that produces a confounding reduction in protein product. We have developed the Trem2 R47H NSS ( N ormal S plice S ite) mouse model where the Trem2 allele is expressed at a similar level to the wild-type Trem2 allele, without evidence of cryptic splicing products, and appropriate inflammatory responses to cuprizone challenge. Utilizing the 5xFAD mouse model, we report age- and disease-dependent changes in response to pathology. At an early disease stage (4 mo), homozygous Trem2 R47H NSS ; hemizygous 5xFAD ( Trem2 R47H NSS ; 5xFAD) mice have reduced size and number of microglia plus impaired interaction with plaques, that is associated with increased dystrophic neurites and axonal damage detected through plasma neurofilament light chain (NfL) level and suppressed inflammation. However, homozygosity for Trem2 R47H NSS suppressed LTP deficits and presynaptic puncta loss caused by the 5xFAD transgene array. At a more advanced disease stage (12 mo,) Trem2 R47H NSS ; 5xFAD mice no longer display impaired plaque-microglia interaction or suppressed inflammatory gene expression, although NfL levels remain elevated, and a unique interferon-related gene expression signature is seen. Furthermore, Trem2 R47H NSS ; 5xFAD mice also display robust LTP deficits and exacerbated presynaptic loss. Collectively, we provide a Trem2 R47H variant mouse without cryptic splicing, and demonstrate it has disease stage dependent effects when combined with a plaque bearing model, with an initial loss of function that ultimately resolves, giving rise to a unique interferon signature and associated tissue damage.

We apply transcriptome-wide RNA sequencing in postmortem autism spectrum disorder (ASD) brain and controls and identify convergent alterations in the noncoding transcriptome, including primate specific lncRNA, and transcript splicing in ASD cerebral cortex, but not cerebellum. We characterize an attenuation of patterning between frontal and temporal cortex in ASD and identify SOX5, a transcription factor involved in cortical neuron fate specification, as a likely driver of this pattern. We further show that a genetically defined subtype of ASD, Duplication 15q Syndrome, shares the core transcriptomic signature of idiopathic ASD, indicating that observed molecular convergence in autism brain is the likely consequence of manifold genetic alterations. Using co-expression network analysis, we show that diverse forms of genetic risk for ASD affect convergent, independently replicated, biological pathways and provide an unprecedented resource for understanding the molecular alterations associated with ASD in humans.

An emerging challenge in neurodegenerative dementia is understanding how immune-associated genes and pathways contribute to disease. To achieve a refined view of neuroinflammatory signaling across neurodegeneration, we took an integrative functional genomics approach to consider neurodegeneration from the perspective of microglia and their interactions with other cells. Using large-scale gene expression and perturbation data, regulatory motif analysis, and gene knockout studies, we identify and characterize a microglial-centric network involving distinct gene co-expression modules associated with progressive stages of neurodegeneration. These modules, which are conserved from mouse to human, differentially incorporate specific immune sensors of cellular damage and pathways that are predicted to eventually tune the immune response toward chronic inflammation and immune suppression. Notably, common genetic risk for Alzheimer's disease (AD), Frontotemporal dementia (FTD) and Progressive Supranuclear Palsy (PSP) resides in specific modules that distinguish between the disorders, but also show convergence on pathways related to anti-viral defense mechanisms. These results suggest a model wherein combinatorial microglial-immune signaling integrate specific immune activators and disease genes that lead to the establishment of chronic states of simultaneous inflammation and immunosuppression involving type 1 interferon in these dementias.

Alzheimer's disease (AD) is a devastating neurological disorder characterized by changes in cell-type proportions and consequently marked alterations of the transcriptome. Here we use a data-driven systems biology approach across multiple cohorts of human AD, encompassing different brain regions, and integrate with multi-scale datasets comprising of DNA methylation, histone acetylation, transcriptome- and genome-wide association studies as well as quantitative trait loci to define the genetic architecture of AD. We perform co-expression network analysis across more than twelve hundred human brain samples, identifying robust AD-associated dysregulation of the transcriptome, unaltered in normal human aging. We further integrate co-expression modules with single-cell transcriptome generated from 27,321 nuclei from postmortem human brain to identify AD-specific transcriptional changes and assess cell-type proportion changes in the human AD brain. We also show that genetic variants of AD are enriched in a glial AD-associated module and identify key transcription factors regulating co-expressed modules. Additionally, we validate our results in multiple published human AD datasets which are easily accessible using our online resource (https://swaruplab.bio.uci.edu/consensusAD) .