Summary Alzheimer’s disease (AD) is an age-associated neurodegenerative disorder characterized by progressive neuronal loss and pathological accumulation of the misfolded proteins amyloid-β and tau 1,2 . Neuroinflammation mediated by microglia and brain-resident macrophages plays a crucial role in AD pathogenesis 1–5 , though the mechanisms by which age, genes, and other risk factors interact remain largely unknown. Somatic mutations accumulate with age and lead to clonal expansion of many cell types, contributing to cancer and many non-cancer diseases 6,7 . Here we studied somatic mutation in normal aged and AD brains by three orthogonal methods and in three independent AD cohorts. Analysis of bulk RNA sequencing data from 866 samples from different brain regions revealed significantly higher (∼two-fold) overall burdens of somatic single-nucleotide variants (sSNVs) in AD brains compared to age-matched controls. Molecular-barcoded deep (>1000X) gene panel sequencing of 311 prefrontal cortex samples showed enrichment of sSNVs and somatic insertions and deletions (sIndels) in cancer driver genes in AD brain compared to control, with recurrent, and often multiple, mutations in genes implicated in clonal hematopoiesis (CH) 8,9 . Pathogenic sSNVs were enriched in CSF1R+ microglia of AD brains, and the high proportion of microglia (up to 40%) carrying some sSNVs in cancer driver genes suggests mutation-driven microglial clonal expansion (MiCE). Analysis of single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) from temporal neocortex of 62 additional AD cases and controls exhibited nominally increased mosaic chromosomal alterations (mCAs) associated with CH 10,11 . Microglia carrying mCA showed upregulated pro-inflammatory genes, resembling the transcriptomic features of disease-associated microglia (DAM) in AD. Our results suggest that somatic driver mutations in microglia are common with normal aging but further enriched in AD brain, driving MiCE with inflammatory and DAM signatures. Our findings provide the first insights into microglial clonal dynamics in AD and identify potential new approaches to AD diagnosis and therapy.

Abstract Biological aging can be defined as a gradual loss of homeostasis across various aspects of molecular and cellular function. Aging is a complex and dynamic process which influences distinct cell types in a myriad of ways. The cellular architecture of the mammalian brain is heterogeneous and diverse, making it challenging to identify precise areas and cell types of the brain that are more susceptible to aging than others. Here, we present a high-resolution single-cell RNA sequencing dataset containing ∼1.2 million high-quality single-cell transcriptomic profiles of brain cells from young adult and aged mice across both sexes, including areas spanning the forebrain, midbrain, and hindbrain. We find age-associated gene expression signatures across nearly all 130+ neuronal and non-neuronal cell subclasses we identified. We detect the greatest gene expression changes in non-neuronal cell types, suggesting that different cell types in the brain vary in their susceptibility to aging. We identify specific, age-enriched clusters within specific glial, vascular, and immune cell types from both cortical and subcortical regions of the brain, and specific gene expression changes associated with cell senescence, inflammation, decrease in new myelination, and decreased vasculature integrity. We also identify genes with expression changes across multiple cell subclasses, pointing to certain mechanisms of aging that may occur across wide regions or broad cell types of the brain. Finally, we discover the greatest gene expression changes in cell types localized to the third ventricle of the hypothalamus, including tanycytes, ependymal cells, and Tbx3 + neurons found in the arcuate nucleus that are part of the neuronal circuits regulating food intake and energy homeostasis. These findings suggest that the area surrounding the third ventricle in the hypothalamus may be a hub for aging in the mouse brain. Overall, we reveal a dynamic landscape of cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal aging that will serve as a foundation for the investigation of functional changes in the aging process and the interaction of aging and diseases.

Abstract Alzheimer’s disease (AD) is the most common cause of dementia in older adults. Neuropathological and imaging studies have demonstrated a progressive and stereotyped accumulation of protein aggregates, but the underlying molecular and cellular mechanisms driving AD progression and vulnerable cell populations affected by disease remain coarsely understood. The current study harnesses single cell and spatial genomics tools and knowledge from the BRAIN Initiative Cell Census Network to understand the impact of disease progression on middle temporal gyrus cell types. We used image-based quantitative neuropathology to place 84 donors spanning the spectrum of AD pathology along a continuous disease pseudoprogression score and multiomic technologies to profile single nuclei from each donor, mapping their transcriptomes, epigenomes, and spatial coordinates to a common cell type reference with unprecedented resolution. Temporal analysis of cell-type proportions indicated an early reduction of Somatostatin-expressing neuronal subtypes and a late decrease of supragranular intratelencephalic-projecting excitatory and Parvalbumin-expressing neurons, with increases in disease-associated microglial and astrocytic states. We found complex gene expression differences, ranging from global to cell type-specific effects. These effects showed different temporal patterns indicating diverse cellular perturbations as a function of disease progression. A subset of donors showed a particularly severe cellular and molecular phenotype, which correlated with steeper cognitive decline. We have created a freely available public resource to explore these data and to accelerate progress in AD research at SEA-AD.org .

Biological ageing can be defined as a gradual loss of homeostasis across various aspects of molecular and cellular function1,2. Mammalian brains consist of thousands of cell types3, which may be differentially susceptible or resilient to ageing. Here we present a comprehensive single-cell RNA sequencing dataset containing roughly 1.2 million high-quality single-cell transcriptomes of brain cells from young adult and aged mice of both sexes, from regions spanning the forebrain, midbrain and hindbrain. High-resolution clustering of all cells results in 847 cell clusters and reveals at least 14 age-biased clusters that are mostly glial types. At the broader cell subclass and supertype levels, we find age-associated gene expression signatures and provide a list of 2,449 unique differentially expressed genes (age-DE genes) for many neuronal and non-neuronal cell types. Whereas most age-DE genes are unique to specific cell types, we observe common signatures with ageing across cell types, including a decrease in expression of genes related to neuronal structure and function in many neuron types, major astrocyte types and mature oligodendrocytes, and an increase in expression of genes related to immune function, antigen presentation, inflammation, and cell motility in immune cell types and some vascular cell types. Finally, we observe that some of the cell types that demonstrate the greatest sensitivity to ageing are concentrated around the third ventricle in the hypothalamus, including tanycytes, ependymal cells, and certain neuron types in the arcuate nucleus, dorsomedial nucleus and paraventricular nucleus that express genes canonically related to energy homeostasis. Many of these types demonstrate both a decrease in neuronal function and an increase in immune response. These findings suggest that the third ventricle in the hypothalamus may be a hub for ageing in the mouse brain. Overall, this study systematically delineates a dynamic landscape of cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal ageing that will serve as a foundation for the investigation of functional changes in ageing and the interaction of ageing and disease. A comprehensive single-cell RNA sequencing study delineates cell-type-specific transcriptomic changes in the brain associated with normal ageing that will inform the investigation into functional changes and the interaction of ageing and disease.