The authors report two new engineered AAV capsids that efficiently deliver genes throughout the adult central and peripheral nervous systems after intravenous administration. Complementing these capsids is an AAV toolbox that enables cell morphology and genetic manipulation studies of defined neural cell types in transgenic or wild-type animals. Adeno-associated viruses (AAVs) are commonly used for in vivo gene transfer. Nevertheless, AAVs that provide efficient transduction across specific organs or cell populations are needed. Here, we describe AAV-PHP.eB and AAV-PHP.S, capsids that efficiently transduce the central and peripheral nervous systems, respectively. In the adult mouse, intravenous administration of 1 × 1011 vector genomes (vg) of AAV-PHP.eB transduced 69% of cortical and 55% of striatal neurons, while 1 × 1012 vg of AAV-PHP.S transduced 82% of dorsal root ganglion neurons, as well as cardiac and enteric neurons. The efficiency of these vectors facilitates robust cotransduction and stochastic, multicolor labeling for individual cell morphology studies. To support such efforts, we provide methods for labeling a tunable fraction of cells without compromising color diversity. Furthermore, when used with cell-type-specific promoters and enhancers, these AAVs enable efficient and targetable genetic modification of cells throughout the nervous system of transgenic and non-transgenic animals.

Understanding the structure-function relationships at cellular, circuit, and organ-wide scale requires 3D anatomical and phenotypical maps, currently unavailable for many organs across species. At the root of this knowledge gap is the absence of a method that enables whole-organ imaging. Herein, we present techniques for tissue clearing in which whole organs and bodies are rendered macromolecule-permeable and optically transparent, thereby exposing their cellular structure with intact connectivity. We describe PACT (passive clarity technique), a protocol for passive tissue clearing and immunostaining of intact organs; RIMS (refractive index matching solution), a mounting media for imaging thick tissue; and PARS (perfusion-assisted agent release in situ), a method for whole-body clearing and immunolabeling. We show that in rodents PACT, RIMS, and PARS are compatible with endogenous-fluorescence, immunohistochemistry, RNA single-molecule FISH, long-term storage, and microscopy with cellular and subcellular resolution. These methods are applicable for high-resolution, high-content mapping and phenotyping of normal and pathological elements within intact organs and bodies.

AAV vectors that efficiently transduce the mouse brain after intravenous injection are generated with a CRE-dependent selection system. Recombinant adeno-associated viruses (rAAVs) are commonly used vehicles for in vivo gene transfer1,2,3,4,5,6. However, the tropism repertoire of naturally occurring AAVs is limited, prompting a search for novel AAV capsids with desired characteristics7,8,9,10,11,12,13. Here we describe a capsid selection method, called Cre recombination–based AAV targeted evolution (CREATE), that enables the development of AAV capsids that more efficiently transduce defined Cre-expressing cell populations in vivo. We use CREATE to generate AAV variants that efficiently and widely transduce the adult mouse central nervous system (CNS) after intravenous injection. One variant, AAV-PHP.B, transfers genes throughout the CNS with an efficiency that is at least 40-fold greater than that of the current standard, AAV9 (refs. 14,15,16,17), and transduces the majority of astrocytes and neurons across multiple CNS regions. In vitro, it transduces human neurons and astrocytes more efficiently than does AAV9, demonstrating the potential of CREATE to produce customized AAV vectors for biomedical applications.

The successful planning and execution of adaptive behaviors in mammals may require long-range coordination of neural networks throughout cerebral cortex. The neuronal implementation of signals that could orchestrate cortex-wide activity remains unclear. Here, we develop and apply methods for cortex-wide Ca2+ imaging in mice performing decision-making behavior and identify a global cortical representation of task engagement encoded in the activity dynamics of both single cells and superficial neuropil distributed across the majority of dorsal cortex. The activity of multiple molecularly defined cell types was found to reflect this representation with type-specific dynamics. Focal optogenetic inhibition tiled across cortex revealed a crucial role for frontal cortex in triggering this cortex-wide phenomenon; local inhibition of this region blocked both the cortex-wide response to task-initiating cues and the voluntary behavior. These findings reveal cell-type-specific processes in cortex for globally representing goal-directed behavior and identify a major cortical node that gates the global broadcast of task-related information.

We recently developed adeno-associated virus (AAV) capsids to facilitate efficient and noninvasive gene transfer to the central and peripheral nervous systems. However, a detailed protocol for generating and systemically delivering novel AAV variants was not previously available. In this protocol, we describe how to produce and intravenously administer AAVs to adult mice to specifically label and/or genetically manipulate cells in the nervous system and organs, including the heart. The procedure comprises three separate stages: AAV production, intravenous delivery, and evaluation of transgene expression. The protocol spans 8 d, excluding the time required to assess gene expression, and can be readily adopted by researchers with basic molecular biology, cell culture, and animal work experience. We provide guidelines for experimental design and choice of the capsid, cargo, and viral dose appropriate for the experimental aims. The procedures outlined here are adaptable to diverse biomedical applications, from anatomical and functional mapping to gene expression, silencing, and editing. Having developed AAV capsids that target sites throughout the body, here the authors describe how to produce and systemically administer these AAVs to rodents to label and/or genetically manipulate cells in the nervous system and visceral organs.

This protocol describes how to fix, embed, clear and stain excised organs or whole organisms to create optically transparent samples. This versatile protocol is able to process a wide range of sample types for high-resolution imaging. To facilitate fine-scale phenotyping of whole specimens, we describe here a set of tissue fixation-embedding, detergent-clearing and staining protocols that can be used to transform excised organs and whole organisms into optically transparent samples within 1–2 weeks without compromising their cellular architecture or endogenous fluorescence. PACT (passive CLARITY technique) and PARS (perfusion-assisted agent release in situ) use tissue-hydrogel hybrids to stabilize tissue biomolecules during selective lipid extraction, resulting in enhanced clearing efficiency and sample integrity. Furthermore, the macromolecule permeability of PACT- and PARS-processed tissue hybrids supports the diffusion of immunolabels throughout intact tissue, whereas RIMS (refractive index matching solution) grants high-resolution imaging at depth by further reducing light scattering in cleared and uncleared samples alike. These methods are adaptable to difficult-to-image tissues, such as bone (PACT-deCAL), and to magnified single-cell visualization (ePACT). Together, these protocols and solutions enable phenotyping of subcellular components and tracing cellular connectivity in intact biological networks.

Chronic social isolation causes severe psychological effects in humans, but their neural bases remain poorly understood. 2 weeks (but not 24 hr) of social isolation stress (SIS) caused multiple behavioral changes in mice and induced brain-wide upregulation of the neuropeptide tachykinin 2 (Tac2)/neurokinin B (NkB). Systemic administration of an Nk3R antagonist prevented virtually all of the behavioral effects of chronic SIS. Conversely, enhancing NkB expression and release phenocopied SIS in group-housed mice, promoting aggression and converting stimulus-locked defensive behaviors to persistent responses. Multiplexed analysis of Tac2/NkB function in multiple brain areas revealed dissociable, region-specific requirements for both the peptide and its receptor in different SIS-induced behavioral changes. Thus, Tac2 coordinates a pleiotropic brain state caused by SIS via a distributed mode of action. These data reveal the profound effects of prolonged social isolation on brain chemistry and function and suggest potential new therapeutic applications for Nk3R antagonists.

Abstract In a side-by-side comparison of evolutionary dynamics between the 2019/2020 SARS-CoV-2 and the 2003 SARS-CoV, we were surprised to find that SARS-CoV-2 resembles SARS-CoV in the late phase of the 2003 epidemic after SARS-CoV had developed several advantageous adaptations for human transmission. Our observations suggest that by the time SARS-CoV-2 was first detected in late 2019, it was already pre-adapted to human transmission to an extent similar to late epidemic SARS-CoV. However, no precursors or branches of evolution stemming from a less human-adapted SARS-CoV-2-like virus have been detected. The sudden appearance of a highly infectious SARS-CoV-2 presents a major cause for concern that should motivate stronger international efforts to identify the source and prevent near future re-emergence. Any existing pools of SARS-CoV-2 progenitors would be particularly dangerous if similarly well adapted for human transmission. To look for clues regarding intermediate hosts, we analyze recent key findings relating to how SARS-CoV-2 could have evolved and adapted for human transmission, and examine the environmental samples from the Wuhan Huanan seafood market. Importantly, the market samples are genetically identical to human SARS-CoV-2 isolates and were therefore most likely from human sources. We conclude by describing and advocating for measured and effective approaches implemented in the 2002-2004 SARS outbreaks to identify lingering population(s) of progenitor virus.

COVID-19 CG is an open resource for tracking SARS-CoV-2 single-nucleotide variations (SNVs) and lineages while filtering by location, date, gene, and mutation of interest. COVID-19 CG provides significant time, labor, and cost-saving utility to diverse projects on SARS-CoV-2 transmission, evolution, emergence, immune interactions, diagnostics, therapeutics, vaccines, and intervention tracking. Here, we describe case studies in which users can interrogate (1) SNVs in the SARS-CoV-2 Spike receptor binding domain (RBD) across different geographic regions to inform the design and testing of therapeutics, (2) SNVs that may impact the sensitivity of commonly used diagnostic primers, and (3) the recent emergence of a dominant lineage harboring an S477N RBD mutation in Australia. To accelerate COVID-19 research and public health efforts, COVID-19 CG will be continually upgraded with new features for users to quickly and reliably pinpoint mutations as the virus evolves throughout the pandemic and in response to therapeutic and public health interventions.

Abstract Adeno-associated viruses (AAVs) can enable robust and safe gene delivery to the mammalian central nervous system (CNS). While the scientific community has developed numerous neurotropic AAV variants for systemic gene-transfer to the rodent brain, there are few AAVs that efficiently access the CNS of higher order primates. We describe here AAV.CAP-Mac, an engineered AAV variant that enables systemic, brain-wide gene delivery in infants of two Old World primate species—the rhesus macaque ( Macaca mulatta ) and the green monkey ( Chlorocebus sabaeus ). We identified CAP-Mac using a multi-species selection strategy, initially screening our library in the adult common marmoset ( Callithrix jacchus ) and narrowing our pool of test-variants for another round of selection in infant macaques. In individual characterization, CAP-Mac robustly transduces human neurons in vitro and Old World primate neurons in vivo , where it targets all lobes of cortex, the cerebellum, and multiple subcortical regions of disease relevance. We use CAP-Mac for Brainbow-like multicolor labeling of macaque neurons throughout the brain, enabling morphological reconstruction of both medium spiny neurons and cortical pyramidal cells. Because of its broad distribution throughout the brain and high neuronal efficiency in infant Old World primates compared to AAV9, CAP-Mac shows promise for researchers and clinicians alike to unlock novel, noninvasive access to the brain for efficient gene transfer.