ABSTRACT Studying the function and dysfunction of complex biological systems necessitates comprehensive understanding of individual cells. Advancements in three-dimensional (3D) tissue processing and imaging modalities have enabled rapid visualization and phenotyping of cells in their spatial context. However, system-wide interrogation of individual cells within large intact tissue remains challenging, low throughput, and error-prone owing to the lack of robust labeling technologies. Here we introduce a rapid, versatile, and scalable method, eFLASH, that enables complete and uniform labeling of organ-scale tissue within one day. eFLASH dynamically modulates chemical transport and reaction kinetics to establish system-wide uniform labeling conditions throughout the day-long labeling period. This unique approach enables the same protocol to be compatible with a wide range of tissue types and probes, enabling combinatorial molecular phenotyping across different organs and species. We applied eFLASH to generate quantitative maps of various cell types in mouse brains. We also demonstrated multidimensional cell profiling in a marmoset brain block. We envision that eFLASH will spur holistic phenotyping of emerging animal models and disease models to help assess their functions and dysfunctions.

ABSTRACT Genetic risk for autism spectrum disorder (ASD) has been associated with hundreds of genes spanning a wide range of biological functions. The phenotypic alterations in the human brain resulting from mutations in ASD risk genes remain unclear, and the level at which these alterations converge on shared disease pathology is poorly understood. Here, we leveraged reproducible organoid models of the human cerebral cortex to identify cell type-specific developmental abnormalities associated with haploinsufficiency in three ASD risk genes, SUV420H1 ( KMT5B ), PTEN , and CHD8 . We performed comprehensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of over 400,000 cells, and proteomic analysis on individual organoids sampled at different developmental stages to investigate phenotypic convergence among these genes. We find that within a defined period of early cortical development, each of the three mutations demonstrates accelerated development of cortical neurons. Notably, they do so by affecting different neuronal populations: excitatory deep layer ( SUV420H1 ) and callosal ( PTEN ) neurons, and inhibitory interneurons ( CHD8 ). This work shows that haploinsufficiency in ASD risk genes converge on early developmental defects in the generation of neurons of the cortical microcircuit.