Abstract Human microglia play a pivotal role in neurological diseases, but few targeted therapies that directly modulate microglial state or function exist due to an incomplete understanding of microglial heterogeneity. We use single-cell RNA sequencing to profile live human microglia from autopsies or surgical resections across diverse neurological diseases and central nervous system regions. We observe a central divide between oxidative and heterocyclic metabolism and identify subsets associated with antigen presentation, motility, and proliferation. Specific subsets are enriched in susceptibility genes for neurodegenerative diseases or the disease-associated microglial signature. We validate subtypes in situ with an RNAscope-immunofluorescence pipeline and leverage our dataset as a classification resource, finding that iPSC model systems recapitulate substantial in vivo heterogeneity. Finally, we identify and validate candidates for chemically inducing subtype-specific states in vitro , showing that Camptothecin downregulates the transcriptional signature of disease-enriched subsets and upregulates a signature previously shown to be depleted in Alzheimer’s.

Abstract The polygenic and multi-cellular nature of multiple sclerosis (MS) immunopathology necessitates cell-type-specific molecular studies in order to improve our understanding of the diverse mechanisms underlying immune cell dysfunction in MS. Here, by generating a dataset of 1,075 transcriptomes from 209 participants (167 MS and 42 healthy), we assessed MS-associated transcriptional changes in six implicated cell-type-states: naïve and memory helper T cells and classical monocytes purified from peripheral blood, each in their primary ( ex vivo , unstimulated) and in vitro stimulated states. Our data suggest that primary profiles show larger MS-associated differences than the post-stimulation contexts. We further identified shared and distinct changes in individual genes, biological pathways, and co-expressed gene modules in MS T cells and monocytes, and prioritized genes such as ZBTB16 as MS-associated regulators in both cell types. Of six identified MS-associated co-expressed gene modules, three (two lymphoid and one myeloid) were replicated in independent data from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and monocyte-derived macrophages. A subsequent in silico drug screen prioritized small-molecule compounds for reversing the perturbation of the MS-associated modules. The effects of glucocorticoid receptor agonists as the top-identified therapeutic class for the replicated T cell modules were validated using targeted in silico analyses and in vitro experiments, suggesting the coordinated dysregulation of glucocorticoid-responsive genes in MS T cells. In summary, our study identifies and validates individual genes and co-expressed gene modules from T and myeloid cells that are perturbed in MS, offering new targets for therapeutic discovery and biomarker development to guide the management of MS.

Abstract INTRODUCTION Not all APOE ε4 carriers who survive to advanced age develop Alzheimer’s disease (AD); factors attenuating the risk of ε4 on AD may exist. METHODS Guided by the top ε4-attenuating signals from methylome-wide association analyses (N=572, ε4+ and ε4-) of neurofibrillary tangles and neuritic plaques, we conducted a meta-analysis for pathological AD within the ε4+ subgroups (N=235) across four independent collections of brains. Cortical RNA-seq and microglial morphology measurements were used in functional analyses. RESULTS Three out of the four significant CpG dinucleotides were captured by one principle component (PC1), which interacts with ε4 on AD, and is associated with expression of innate immune genes and activated microglia. In ε4 carriers, reduction in each unit of PC1 attenuated the odds of AD by 58% (OR=2.39, 95%CI=[1.64,3.46], P =7.08×10 −6 ). DISCUSSION An epigenomic factor associated with a reduced proportion of activated microglia appears to attenuate the risk of ε4 on AD.

ABSTRACT We establish a genome-wide map of DNA methylation quantitative trait locus (mQTL) effects in CD4 + T cells isolated from multiple sclerosis (MS) patients. Utilizing this map in a colocalization analysis, we identify 19 loci where the same haplotype drives both MS susceptibility and local ( cis -) DNA methylation. We also identify two distant ( trans -) mQTL effects of MS susceptibility loci: (1) a chromosome 16 MS locus affects PRDM8 methylation (a chromosome 4 region not previously associated with MS susceptibility), and (2) the aggregate effect of MS variants in the major histocompatibility complex (MHC, chromosome 6) influences DNA methylation near PRKCA on chromosome 17. Both effects are replicated in independent samples. Overall, we present a new methylome-wide mQTL resource for a key cell type in inflammatory disease research, uncover functional consequences of MS susceptibility variants, including the convergence of MHC risk alleles onto a new gene target involved in predisposition to MS.

Summary SORL1 is strongly implicated in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) through human genetic studies that point to an association of reduced SORL1 levels with higher risk for AD. To interrogate the role(s) of SORL1 in human brain cells, SORL1 null iPSCs were generated, followed by differentiation to neuron, astrocyte, microglia, and endothelial cell fates. Loss of SORL1 led to alterations in both overlapping and distinct pathways across cell types, with the greatest effects in neurons and astrocytes. Intriguingly, SORL1 loss led to a dramatic neuron-specific reduction in APOE levels. Further, analyses of iPSCs derived from a human aging cohort revealed a neuron-specific linear correlation between SORL1 and APOE RNA and protein levels, a finding validated in human post-mortem brain. Pathway analysis implicated intracellular transport pathways and TGF- β/SMAD signaling in the function of SORL1 in neurons. In accord, enhancement of retromer-mediated trafficking and autophagy rescued elevated phospho-tau observed in SORL1 null neurons but did not rescue APOE levels, suggesting that these phenotypes are separable. Stimulation and inhibition of SMAD signaling modulated APOE RNA levels in a SORL1-dependent manner. These studies provide a mechanistic link between two of the strongest genetic risk factors for AD.

Microglial dysfunction has been proposed as one of the many cellular mechanisms that can contribute to the development of Alzheimer's disease (AD). Here, using a transcriptional network map of the human frontal cortex, we identify five gene modules of coexpressed genes related to microglia and assess their role in the neuropathologic features of AD in 541 subjects from two cohort studies of brain aging. Two of these transcriptional programs - modules 113 and 114 - relate to the accumulation of β-amyloid, while module 5 relates to tau pathology. These modules are also detectable in the human brain's epigenome, where we replicate these associations. In terms of tau, we propose that module 5, a marker of activated microglia, may lead to tau accumulation and subsequent cognitive decline. We validate our model further by showing that VASP, a representative module 5 gene, encodes a protein that is upregulated in activated microglia in AD.

The fact that only symptomatic therapies of small effect are available for Alzheimer's disease (AD) today highlights the need for new therapeutic targets with which to prevent a major contributor to aging-related cognitive decline. Here, we report the construction and validation of a molecular network of the aging human frontal cortex. Using RNA sequence data from 478 individuals, we first identify the role of modules of coexpressed genes, and then confirm them in independent AD datasets. Then, we prioritize influential genes in AD-related modules and test our predictions in human model systems. We functionally validate two putative regulator genes in human astrocytes: INPPL1 and PLXNB1, whose activity in AD may be related to semaphorin signalling and type II diabetes, which have both been implicated in AD. This arc of network identification followed by statistical and experimental validation provides specific new targets for therapeutic development and illustrates a network approach to a complex disease.

We initiated the systematic profiling of the dorsolateral prefrontal cortex obtained from a subset of autopsied individuals enrolled in the Religious Orders Study (ROS) or the Rush Memory and Aging Project (MAP), which are jointly designed and belong to a very few prospective studies of aging and dementia with detailed, longitudinal cognitive phenotyping during life and a quantitative, structured neuropathologic examination after death for >3,322 subjects. Here, we outline the first generation of data including genome-wide genotypes (n=2,090), whole genome sequencing (n=1,179), DNA methylation (n=740), chromatin immunoprecipitation with sequencing using an anti-Histone 3 Lysine 9 acetylation (H3K9Ac) antibody (n=712), RNA sequencing (n=638), and miRNA profile (n=702). Generation of other omic data including ATACseq, proteomic and metabolomics profiles is ongoing. Thanks to its prospective design and recruitment of older, non-demented individuals, these data can be repurposed to investigate a large number of syndromic and quantitative neuroscience phenotypes. The many subjects that are cognitively non-impaired at death also offer insights into the biology of the human brain in older non-impaired individuals.

Identified as an Alzheimer's disease (AD) susceptibility gene by genome wide-association studies, BIN1 has 10 isoforms that are expressed in the Central Nervous System (CNS). The distribution of these isoforms in different cell types, as well as their role in AD pathology still remains unclear. Utilizing antibodies targeting specific BIN1 epitopes in human post-mortem tissue and analyzing RNA expression data from purified microglia, we identified three isoforms expressed specifically in neurons (isoforms 1, 2 and 3) and four isoforms expressed in microglia (isoforms 6, 9, 10 and 12). The abundance of selected peptides, which correspond to groups of BIN1 protein isoforms, was measured in dorsolateral prefrontal cortex, and their relation to neuropathological features of AD was assessed. Peptides contained in exon 7 of BIN1's N-BAR domain were found to be significantly associated with AD-related traits and, particularly, tau pathology. Since only isoforms 1, 2 and 3 contain exon 7, it appears that decreased protein expression of the N-BAR domain of BIN1 is associated with greater accumulation of tau pathology and subsequent cognitive decline, with astrocytic rather than neuronal BIN1 being the more likely culprit. These effects are independent of the BIN1 AD risk variant, suggesting that targeting specific BIN1 isoforms might be a novel therapeutic approach to prevent the accumulation of tau pathology.

ZCCHC17 is a putative master regulator of synaptic gene dysfunction in Alzheimer's Disease (AD), and ZCCHC17 protein declines early in AD brain tissue, before significant gliosis or neuronal loss. Here, we investigate the function of ZCCHC17 and its role in AD pathogenesis. Co-immunoprecipitation of ZCCHC17 followed by mass spectrometry analysis in human iPSC-derived neurons reveals that ZCCHC17's binding partners are enriched for RNA splicing proteins. ZCCHC17 knockdown results in widespread RNA splicing changes that significantly overlap with splicing changes found in AD brain tissue, with synaptic genes commonly affected. ZCCHC17 expression correlates with cognitive resilience in AD patients, and we uncover an APOE4 dependent negative correlation of ZCCHC17 expression with tangle burden. Furthermore, a majority of ZCCHC17 interactors also co-IP with known tau interactors, and we find significant overlap between alternatively spliced genes in ZCCHC17 knockdown and tau overexpression neurons. These results demonstrate ZCCHC17's role in neuronal RNA processing and its interaction with pathology and cognitive resilience in AD, and suggest that maintenance of ZCCHC17 function may be a therapeutic strategy for preserving cognitive function in the setting of AD pathology.