Catechol-O-methyltransferase (COMT) is a key enzyme in the elimination of dopamine in the prefrontal cortex of the human brain. Genetic variation in the COMT gene (MIM 116790) has been associated with altered prefrontal cortex function and higher risk for schizophrenia, but the specific alleles and their functional implications have been controversial. We analyzed the effects of several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within COMT on mRNA expression levels (using reverse-transcriptase polymerase chain reaction analysis), protein levels (using Western blot analysis), and enzyme activity (using catechol methylation) in a large sample (n = 108) of postmortem human prefrontal cortex tissue, which predominantly expresses the -membrane-bound isoform. A common coding SNP, Val158Met (rs4680), significantly affected protein abundance and enzyme activity but not mRNA expression levels, suggesting that differences in protein integrity account for the difference in enzyme activity between alleles. A SNP in intron 1 (rs737865) and a SNP in the 3′ flanking region (rs165599)—both of which have been reported to contribute to allelic expression differences and to be associated with schizophrenia as part of a haplotype with Val—had no effect on mRNA expression levels, protein immunoreactivity, or enzyme activity. In lymphocytes from 47 subjects, we confirmed a similar effect on enzyme activity in samples with the Val/Met genotype but no effect in samples with the intron 1 or 3′ SNPs. Separate analyses revealed that the subject's sex, as well as the presence of a SNP in the P2 promoter region (rs2097603), had small effects on COMT enzyme activity. Using site-directed mutagenesis of mouse COMT cDNA, followed by in vitro translation, we found that the conversion of Leu at the homologous position into Met or Val progressively and significantly diminished enzyme activity. Thus, although we cannot exclude a more complex genetic basis for functional effects of COMT, Val is a predominant factor that determines higher COMT activity in the prefrontal cortex, which presumably leads to lower synaptic dopamine levels and relatively deleterious prefrontal function. Catechol-O-methyltransferase (COMT) is a key enzyme in the elimination of dopamine in the prefrontal cortex of the human brain. Genetic variation in the COMT gene (MIM 116790) has been associated with altered prefrontal cortex function and higher risk for schizophrenia, but the specific alleles and their functional implications have been controversial. We analyzed the effects of several single-nucleotide polymorphisms (SNPs) within COMT on mRNA expression levels (using reverse-transcriptase polymerase chain reaction analysis), protein levels (using Western blot analysis), and enzyme activity (using catechol methylation) in a large sample (n = 108) of postmortem human prefrontal cortex tissue, which predominantly expresses the -membrane-bound isoform. A common coding SNP, Val158Met (rs4680), significantly affected protein abundance and enzyme activity but not mRNA expression levels, suggesting that differences in protein integrity account for the difference in enzyme activity between alleles. A SNP in intron 1 (rs737865) and a SNP in the 3′ flanking region (rs165599)—both of which have been reported to contribute to allelic expression differences and to be associated with schizophrenia as part of a haplotype with Val—had no effect on mRNA expression levels, protein immunoreactivity, or enzyme activity. In lymphocytes from 47 subjects, we confirmed a similar effect on enzyme activity in samples with the Val/Met genotype but no effect in samples with the intron 1 or 3′ SNPs. Separate analyses revealed that the subject's sex, as well as the presence of a SNP in the P2 promoter region (rs2097603), had small effects on COMT enzyme activity. Using site-directed mutagenesis of mouse COMT cDNA, followed by in vitro translation, we found that the conversion of Leu at the homologous position into Met or Val progressively and significantly diminished enzyme activity. Thus, although we cannot exclude a more complex genetic basis for functional effects of COMT, Val is a predominant factor that determines higher COMT activity in the prefrontal cortex, which presumably leads to lower synaptic dopamine levels and relatively deleterious prefrontal function.

Gene expression controls and dictates everything from development and plasticity to ongoing neurogenesis in the brain, yet the temporal dynamics of transcription throughout the brain's lifetime have been mostly unknown. Here, two groups present a large gene-expression database from a variety of human brain samples ranging from before birth to over 80 years in age. Colantuoni et al. focus on the prefrontal cortex. Although they note significant expression pattern dynamics throughout development, they identify a consistent molecular architecture of transcription across subjects from different races despite the large number of genetic polymorphisms among them. Kang et al. produce a more comprehensive time course, exploring expression in 16 different brain areas, determining that the largest spatiotemporal variability occurs before birth, with transcriptomes in brain regions converging as we age. Previous investigations have combined transcriptional and genetic analyses in human cell lines1,2,3, but few have applied these techniques to human neural tissue4,5,6,7,8. To gain a global molecular perspective on the role of the human genome in cortical development, function and ageing, we explore the temporal dynamics and genetic control of transcription in human prefrontal cortex in an extensive series of post-mortem brains from fetal development through ageing. We discover a wave of gene expression changes occurring during fetal development which are reversed in early postnatal life. One half-century later in life, this pattern of reversals is mirrored in ageing and in neurodegeneration. Although we identify thousands of robust associations of individual genetic polymorphisms with gene expression, we also demonstrate that there is no association between the total extent of genetic differences between subjects and the global similarity of their transcriptional profiles. Hence, the human genome produces a consistent molecular architecture in the prefrontal cortex, despite millions of genetic differences across individuals and races. To enable further discovery, this entire data set is freely available (from Gene Expression Omnibus: accession GSE30272; and dbGaP: accession phs000417.v1.p1) and can also be interrogated via a biologist-friendly stand-alone application ( http://www.libd.org/braincloud ).

Summary

 Recent advances in 3D culture systems have led to the generation of brain organoids that resemble different human brain regions; however, a 3D organoid model of the midbrain containing functional midbrain dopaminergic (mDA) neurons has not been reported. We developed a method to differentiate human pluripotent stem cells into a large multicellular organoid-like structure that contains distinct layers of neuronal cells expressing characteristic markers of human midbrain. Importantly, we detected electrically active and functionally mature mDA neurons and dopamine production in our 3D midbrain-like organoids (MLOs). In contrast to human mDA neurons generated using 2D methods or MLOs generated from mouse embryonic stem cells, our human MLOs produced neuromelanin-like granules that were structurally similar to those isolated from human substantia nigra tissues. Thus our MLOs bearing features of the human midbrain may provide a tractable in vitro system to study the human midbrain and its related diseases.

INTRODUCTION The brain is responsible for cognition, behavior, and much of what makes us uniquely human. The development of the brain is a highly complex process, and this process is reliant on precise regulation of molecular and cellular events grounded in the spatiotemporal regulation of the transcriptome. Disruption of this regulation can lead to neuropsychiatric disorders. RATIONALE The regulatory, epigenomic, and transcriptomic features of the human brain have not been comprehensively compiled across time, regions, or cell types. Understanding the etiology of neuropsychiatric disorders requires knowledge not just of endpoint differences between healthy and diseased brains but also of the developmental and cellular contexts in which these differences arise. Moreover, an emerging body of research indicates that many aspects of the development and physiology of the human brain are not well recapitulated in model organisms, and therefore it is necessary that neuropsychiatric disorders be understood in the broader context of the developing and adult human brain. RESULTS Here we describe the generation and analysis of a variety of genomic data modalities at the tissue and single-cell levels, including transcriptome, DNA methylation, and histone modifications across multiple brain regions ranging in age from embryonic development through adulthood. We observed a widespread transcriptomic transition beginning during late fetal development and consisting of sharply decreased regional differences. This reduction coincided with increases in the transcriptional signatures of mature neurons and the expression of genes associated with dendrite development, synapse development, and neuronal activity, all of which were temporally synchronous across neocortical areas, as well as myelination and oligodendrocytes, which were asynchronous. Moreover, genes including MEF2C , SATB2 , and TCF4 , with genetic associations to multiple brain-related traits and disorders, converged in a small number of modules exhibiting spatial or spatiotemporal specificity. CONCLUSION We generated and applied our dataset to document transcriptomic and epigenetic changes across human development and then related those changes to major neuropsychiatric disorders. These data allowed us to identify genes, cell types, gene coexpression modules, and spatiotemporal loci where disease risk might converge, demonstrating the utility of the dataset and providing new insights into human development and disease. Spatiotemporal dynamics of human brain development and neuropsychiatric risks. Human brain development begins during embryonic development and continues through adulthood (top). Integrating data modalities (bottom left) revealed age- and cell type–specific properties and global patterns of transcriptional dynamics, including a late fetal transition (bottom middle). We related the variation in gene expression (brown, high; purple, low) to regulatory elements in the fetal and adult brains, cell type–specific signatures, and genetic loci associated with neuropsychiatric disorders (bottom right; gray circles indicate enrichment for corresponding features among module genes). Relationships depicted in this panel do not correspond to specific observations. CBC, cerebellar cortex; STR, striatum; HIP, hippocampus; MD, mediodorsal nucleus of thalamus; AMY, amygdala.

We used the 10x Genomics Visium platform to define the spatial topography of gene expression in the six-layered human dorsolateral prefrontal cortex. We identified extensive layer-enriched expression signatures and refined associations to previous laminar markers. We overlaid our laminar expression signatures on large-scale single nucleus RNA-sequencing data, enhancing spatial annotation of expression-driven clusters. By integrating neuropsychiatric disorder gene sets, we showed differential layer-enriched expression of genes associated with schizophrenia and autism spectrum disorder, highlighting the clinical relevance of spatially defined expression. We then developed a data-driven framework to define unsupervised clusters in spatial transcriptomics data, which can be applied to other tissues or brain regions in which morphological architecture is not as well defined as cortical laminae. Last, we created a web application for the scientific community to explore these raw and summarized data to augment ongoing neuroscience and spatial transcriptomics research ( http://research.libd.org/spatialLIBD ). This study defined spatial gene expression in the human dorsolateral prefrontal cortex. It reveals layer-enriched expression of genes associated with schizophrenia and autism, highlighting the clinical relevance of spatially defined expression.

Anatomical and molecular abnormalities of excitatory neurons in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) are found in schizophrenia. We hypothesized that brain-derived neurotrophic factor (BDNF), a protein capable of increasing pyramidal neuron spine density and augmenting synaptic efficacy of glutamate, may be abnormally expressed in the DLPFC of patients with schizophrenia. Using an RNase protection assay and Western blotting, we detected a significant reduction in BDNF mRNA (mean=23%) and protein (mean=40%) in the DLPFC of patients with schizophrenia compared to normal individuals. At the cellular level, BDNF mRNA was expressed at varying intensities in pyramidal neurons throughout layers II, III, V, and VI of DLPFC. In patients with schizophrenia; neuronal BDNF expression was decreased in layers III, V and VI. Our study demonstrates a reduction in BDNF production and availability in the DLPFC of schizophrenics, and suggests that intrinsic cortical neurons, afferent neurons, and target neurons may receive less trophic support in this disorder.

DNA methylation in human brain shows dramatic variation across development. Genetic loci implicated in risk for schizophrenia are enriched for epigenetic states that show changes from the transition from prenatal to postnatal life. These findings suggest that early development is involved in both genetic and environmental risk factors for schizophrenia. DNA methylation (DNAm) is important in brain development and is potentially important in schizophrenia. We characterized DNAm in prefrontal cortex from 335 non-psychiatric controls across the lifespan and 191 patients with schizophrenia and identified widespread changes in the transition from prenatal to postnatal life. These DNAm changes manifest in the transcriptome, correlate strongly with a shifting cellular landscape and overlap regions of genetic risk for schizophrenia. A quarter of published genome-wide association studies (GWAS)-suggestive loci (4,208 of 15,930, P < 10−100) manifest as significant methylation quantitative trait loci (meQTLs), including 59.6% of GWAS-positive schizophrenia loci. We identified 2,104 CpGs that differ between schizophrenia patients and controls that were enriched for genes related to development and neurodifferentiation. The schizophrenia-associated CpGs strongly correlate with changes related to the prenatal-postnatal transition and show slight enrichment for GWAS risk loci while not corresponding to CpGs differentiating adolescence from later adult life. These data implicate an epigenetic component to the developmental origins of this disorder.

Background:

 Schizophrenia has been hypothesized to be caused by a hypofunction of glutamatergic neurons. Findings of reduced concentrations of glutamate in the cerebrospinal fluid of patients with schizophrenia and the ability of glutamate-receptor antagonists to cause psychotic symptoms lend support to this hypothesis.N-acetylaspartylglutamate (NAAG), a neuropeptide that is highly concentrated in glutamatergic neurons, antagonizes the effects of glutamate atN-methyl-d-aspartate receptors. Moreover, NAAG is cleaved to glutamate andN-acetylaspartate by a specific peptidase,N-acetyl-α—linked acidic dipeptidase (NAALADase). To test the glutamatergic hypothesis of schizophrenia, we studied the NAAG-related glutamatergic variables in postmortem brains from patients with schizophrenia, neuroleptic-treated controls, and normal individuals, with particular emphasis on the prefrontal cortex and hippocampus. 

Method:

 Different regions of frozen brain tissue from three different groups (patients with schizophrenia, neuroleptictreated controls, and normal controls) were assayed to determine levels of NAAG,N-acetylaspartate, NAALADase, and several amino acids, including aspartate and glutamate. 

Results:

 Our study demonstrates alterations in brain levels of aspartate, glutamate, and NAAG and in NAALADase activity. Levels of NAAG were increased and NAALADase activity and glutamate levels were decreased in the schizophrenic brains. Notably, the changes in NAAG level and NAALADase activity in schizophrenic brains were more selective than those for aspartate and glutamate. In neuroleptic-treated control brains, levels of aspartate, glutamate, and glycine were found to be increased. 

Conclusions:

 The changes in levels of aspartate, glutamate, NAAG, and NAALADase are prominent in the prefrontal and hippocampal regions, where previous neuropathological studies of schizophrenic brains demonstrate consistent changes. These findings support the hypothesis that schizophrenia results from a hypofunction of certain glutamatergic neuronal systems. They also suggest that the therapeutic efficacy of neuroleptics may be related to increased glutamatergic activity.

GRM3 , a metabotropic glutamate receptor-modulating synaptic glutamate, is a promising schizophrenia candidate gene. In a family-based association study, a common GRM3 haplotype was strongly associated with schizophrenia ( P = 0.0001). Within this haplotype, the A allele of single-nucleotide polymorphism (SNP) 4 (hCV11245618) in intron 2 was slightly overtransmitted to probands ( P = 0.02). We studied the effects of this SNP on neurobiological traits related to risk for schizophrenia and glutamate neurotransmission. The SNP4 A allele was associated with poorer performance on several cognitive tests of prefrontal and hippocampal function. The physiological basis of this effect was assessed with functional MRI, which showed relatively deleterious activation patterns in both cortical regions in control subjects homozygous for the SNP4 A allele. We next looked at SNP4's effects on two indirect measures of prefrontal glutamate neurotransmission. Prefrontal N -acetylaspartate, an in vivo MRI measure related to synaptic activity and closely correlated with tissue glutamate, was lower in SNP4 AA homozygotes. In postmortem human prefrontal cortex, AA homozygotes had lower mRNA levels of the glial glutamate transporter EAAT2, a protein regulated by GRM3 that critically modulates synaptic glutamate. Effects of SNP4 on prefrontal GRM3 mRNA and protein levels were marginal. Resequencing revealed no missense or splice-site SNPs, suggesting that the intronic SNP4 or related haplotypes may exert subtle regulatory effects on GRM3 transcription. These convergent data point to a specific molecular pathway by which GRM3 genotype alters glutamate neurotransmission, prefrontal and hippocampal physiology and cognition, and thereby increased risk for schizophrenia.