The laboratory mouse shares the majority of its protein-coding genes with humans, making it the premier model organism in biomedical research, yet the two mammals differ in significant ways. To gain greater insights into both shared and species-specific transcriptional and cellular regulatory programs in the mouse, the Mouse ENCODE Consortium has mapped transcription, DNase I hypersensitivity, transcription factor binding, chromatin modifications and replication domains throughout the mouse genome in diverse cell and tissue types. By comparing with the human genome, we not only confirm substantial conservation in the newly annotated potential functional sequences, but also find a large degree of divergence of sequences involved in transcriptional regulation, chromatin state and higher order chromatin organization. Our results illuminate the wide range of evolutionary forces acting on genes and their regulatory regions, and provide a general resource for research into mammalian biology and mechanisms of human diseases.

Abstract Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal lobar degeneration (FTLD) are two devastating and fatal neurodegenerative conditions. While distinct, they share many clinical, genetic, and pathological characteristics 1 , and both show selective vulnerability of layer 5b extratelencephalic-projecting cortical populations, including Betz cells in ALS 2,3 and von Economo neurons (VENs) in FTLD 4,5 . Here, we report the first high resolution single-cell atlas of the human primary motor cortex (MCX) and its transcriptional alterations in ALS and FTLD across ~380,000 nuclei from 64 individuals, including 17 control samples and 47 sporadic and C9orf72 -associated ALS and FTLD patient samples. We identify 46 transcriptionally distinct cellular subtypes including two Betz-cell subtypes, and we observe a previously unappreciated molecular similarity between Betz cells and VENs of the prefrontal cortex (PFC) and frontal insula. Many of the dysregulated genes and pathways are shared across excitatory neurons, including stress response, ribosome function, oxidative phosphorylation, synaptic vesicle cycle, endoplasmic reticulum protein processing, and autophagy. Betz cells and SCN4B + long-range projecting L3/L5 cells are the most transcriptionally affected in both ALS and FTLD. Lastly, we find that the VEN/Betz cell-enriched transcription factor, POU3F1, has altered subcellular localization, co-localizes with TDP-43 aggregates, and may represent a cell type-specific vulnerability factor in the Betz cells of ALS and FTLD patient tissues.

Summary Despite its overwhelming clinical importance, the SARS-CoV-2 gene set remains unresolved, hindering dissection of COVID-19 biology. Here, we use comparative genomics to provide a high-confidence protein-coding gene set, characterize protein-level and nucleotide-level evolutionary constraint, and prioritize functional mutations from the ongoing COVID-19 pandemic. We select 44 complete Sarbecovirus genomes at evolutionary distances ideally-suited for protein-coding and non-coding element identification, create whole-genome alignments, and quantify protein-coding evolutionary signatures and overlapping constraint. We find strong protein-coding signatures for all named genes and for 3a, 6, 7a, 7b, 8, 9b, and also ORF3c, a novel alternate-frame gene. By contrast, ORF10, and overlapping-ORFs 9c, 3b, and 3d lack protein-coding signatures or convincing experimental evidence and are not protein-coding. Furthermore, we show no other protein-coding genes remain to be discovered. Cross-strain and within-strain evolutionary pressures largely agree at the gene, amino-acid, and nucleotide levels, with some notable exceptions, including fewer-than-expected mutations in nsp3 and Spike subunit S1, and more-than-expected mutations in Nucleocapsid. The latter also shows a cluster of amino-acid-changing variants in otherwise-conserved residues in a predicted B-cell epitope, which may indicate positive selection for immune avoidance. Several Spike-protein mutations, including D614G, which has been associated with increased transmission, disrupt otherwise-perfectly-conserved amino acids, and could be novel adaptations to human hosts. The resulting high-confidence gene set and evolutionary-history annotations provide valuable resources and insights on COVID-19 biology, mutations, and evolution.

The glymphatic movement of fluid through the brain removes metabolic waste1-4. Noninvasive 40 Hz stimulation promotes 40 Hz neural activity in multiple brain regions and attenuates pathology in mouse models of Alzheimer's disease5-8. Here we show that multisensory gamma stimulation promotes the influx of cerebrospinal fluid and the efflux of interstitial fluid in the cortex of the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease. Influx of cerebrospinal fluid was associated with increased aquaporin-4 polarization along astrocytic endfeet and dilated meningeal lymphatic vessels. Inhibiting glymphatic clearance abolished the removal of amyloid by multisensory 40 Hz stimulation. Using chemogenetic manipulation and a genetically encoded sensor for neuropeptide signalling, we found that vasoactive intestinal peptide interneurons facilitate glymphatic clearance by regulating arterial pulsatility. Our findings establish novel mechanisms that recruit the glymphatic system to remove brain amyloid.

Abstract Characterizing the intermediate phenotypes, such as gene expression, that mediate genetic effects on complex diseases is a fundamental problem in human genetics. Existing methods utilize genotypic data and summary statistics to identify putative disease genes, but cannot distinguish pleiotropy from causal mediation and are limited by overly strong assumptions about the data. To overcome these limitations, we develop Causal Multivariate Mediation within Extended Linkage disequilibrium (CaMMEL), a novel Bayesian inference framework to jointly model multiple mediated and unmediated effects relying only on summary statistics. We show in simulation that CaMMEL accurately distinguishes between mediating and pleiotropic genes unlike existing methods. We applied CaMMEL to Alzheimer’s disease (AD) and found 206 causal genes in sub-threshold loci (p < 10 −4 ). We prioritized 21 genes which mediate at least 5% of local genetic variance, disrupting innate immune pathways in AD.

Abstract Thousands of genetic variants acting in multiple cell types underlie complex disorders, yet most gene expression studies profile only bulk tissues, making it hard to resolve where genetic and non-genetic contributors act. This is particularly important for psychiatric and neurodegenerative disorders that impact multiple brain cell types with highly-distinct gene expression patterns and proportions. To address this challenge, we develop a new framework, SPLITR, that integrates single-nucleus and bulk RNA-seq data, enabling phenotype-aware deconvolution and correcting for systematic discrepancies between bulk and single-cell data. We deconvolved 3,387 post-mortem brain samples across 1,127 individuals and in multiple brain regions. We find that cell proportion varies across brain regions, individuals, disease status, and genotype, including genetic variants in TMEM106B that impact inhibitory neuron fraction and 4,757 cell-type-specific eQTLs. Our results demonstrate the power of jointly analyzing bulk and single-cell RNA-seq to provide insights into cell-type-specific mechanisms for complex brain disorders.

Summary Despite the importance of the blood-brain barrier in maintaining normal brain physiology and in understanding neurodegeneration and CNS drug delivery, human cerebrovascular cells remain poorly characterized due to their sparsity and dispersion. Here, we perform the first single-cell characterization of the human cerebrovasculature using both ex vivo fresh-tissue experimental enrichment and post mortem in silico sorting of human cortical tissue samples. We capture 31,812 cerebrovascular cells across 17 subtypes, including three distinct subtypes of perivascular fibroblasts as well as vasculature-coupled neurons and glia. We uncover human-specific expression patterns along the arteriovenous axis and determine previously uncharacterized cell type-specific markers. We use our newly discovered human-specific signatures to study changes in 3,945 cerebrovascular cells of Huntington’s disease patients, which reveal an activation of innate immune signaling in vascular and vasculature-coupled cell types and the concomitant reduction to proteins critical for maintenance of BBB integrity. Finally, our study provides a comprehensive resource molecular atlas of the human cerebrovasculature to guide future biological and therapeutic studies.

Abstract The human hippocampal formation plays a central role in Alzheimer’s disease (AD) progression, cognitive traits, and the onset of dementia; yet its molecular states in AD remain uncharacterized. Here, we report a comprehensive single-cell transcriptomic dissection of the human hippocampus and entorhinal cortex across 489,558 cells from 65 individuals with varying stages of AD pathology. We transcriptionally characterize major brain cell types and neuronal classes, including 17 glutamatergic and 8 GABAergic neuron subpopulations. Combining evidence from human and mouse tissue-microdissection, neuronal cell isolation and spatial transcriptomics, we show that single-cell expression patterns capture fine-resolution neuronal anatomical topography. By stratifying subjects into early and late pathology groups, we uncover stage-dependent and cell-type specific transcriptional modules altered during AD progression. These include early-stage cell-type specific dysregulation of cellular and cholesterol metabolism, late-stage neuron-glia alterations in neurotransmission, and late-stage signatures of cellular stress, apoptosis, and DNA damage broadly shared across cell types. Late-stage signatures show signs of convergence in hippocampal and cortical cells, while early changes diverge; highlighting the relevance of characterizing molecular pathology across brain regions and AD progression. Finally, we characterize neuron subregion-specific responses to AD pathology and show that CA1 pyramidal neurons are the most transcriptionally altered while CA3 and dentate gyrus granule neurons the least. Our study provides a valuable resource to extend cell type-specific studies of AD to clinically relevant brain regions affected early by pathology in disease progression.

Prioritizing disease-critical cell types by integrating genome-wide association studies (GWAS) with functional data is a fundamental goal. Single-cell chromatin accessibility (scATAC-seq) and gene expression (scRNA-seq) have characterized cell types at high resolution, and early work on integrating GWAS with scRNA-seq has shown promise, but work on integrating GWAS with scATAC-seq has been limited. Here, we identify disease-critical fetal and adult brain cell types by integrating GWAS summary statistics from 28 brain-related diseases and traits (average N=298K) with 3.2 million scATAC-seq and scRNA-seq profiles from 83 cell types. We identified disease-critical fetal (resp. adult) brain cell types for 22 (resp. 23) of 28 traits using scATAC-seq data, and for 8 (resp. 17) of 28 traits using scRNA-seq data. Notable findings using scATAC-seq data included highly significant enrichments of fetal photoreceptor cells for major depressive disorder, fetal ganglion cells for BMI, fetal astrocytes for ADHD, and adult VGLUT2 excitatory neurons for schizophrenia. Our findings improve our understanding of brain-related diseases and traits, and inform future analyses of other diseases/traits.

Chorea-acanthocytosis and McLeod syndrome are diseases with shared clinical manifestations caused by mutations in VPS13A and XK, respectively. Key features of these conditions are the degeneration of caudate neurons and the presence of abnormally shaped erythrocytes. XK belongs to a family of plasma membrane (PM) lipid scramblases whose action results in exposure of PtdSer at the cell surface. VPS13A is an ER-anchored lipid transfer protein with a putative role in the transport of lipids at contacts of the ER with other membranes. Recently VPS13A and XK were reported to interact by still unknown mechanisms. So far, however, there is no evidence for a colocalization of the two proteins at contacts of the ER with the PM, where XK resides, as VPS13A was shown to be localized at contacts between the ER and either mitochondria or lipid droplets. Here we show that VPS13A can also localize at ER-PM contacts via the binding of its PH domain to a cytosolic loop of XK, that such interaction is regulated by an intramolecular interaction within XK and that both VPS13A and XK are highly expressed in the caudate neurons. Binding of the PH domain of VPS13A to XK is competitive with its binding to intracellular membranes that mediate other tethering functions of VPS13A. Our findings support a model according to which VPS13A-dependent lipid transfer between the ER and the PM is coupled to lipid scrambling within the PM. They raise the possibility that defective cell surface exposure of PtdSer may be responsible for neurodegeneration.