We study the problem of generating independent samples from the output distribution of Google's Sycamore quantum circuits with a target fidelity, which is believed to be beyond the reach of classical supercomputers and has been used to demonstrate quantum supremacy. We propose a method to classically solve this problem by contracting the corresponding tensor network just once, and is massively more efficient than existing methods in generating a large number of uncorrelated samples with a target fidelity. For the Sycamore quantum supremacy circuit with 53 qubits and 20 cycles, we have generated 1×10^{6} uncorrelated bitstrings s which are sampled from a distribution P[over ^](s)=|ψ[over ^](s)|^{2}, where the approximate state ψ[over ^] has fidelity F≈0.0037. The whole computation has cost about 15 h on a computational cluster with 512 GPUs. The obtained 1×10^{6} samples, the contraction code and contraction order are made public. If our algorithm could be implemented with high efficiency on a modern supercomputer with ExaFLOPS performance, we estimate that ideally, the simulation would cost a few dozens of seconds, which is faster than Google's quantum hardware.

Abstract The most significant common variant association for schizophrenia (SCZ) reflects increased expression of the complement component 4A ( C4A ). Yet, it remains unclear how C4A interacts with other SCZ risk genes and whether the complement system is more broadly implicated in SCZ pathogenesis. Here, we integrate several existing, large-scale genetic and transcriptomic datasets to interrogate the functional role of the complement system and C4A in the human brain. Surprisingly, we find no significant genetic enrichment among known complement system genes for SCZ. Conversely, brain co-expression network analyses using C4A as a seed gene revealed that genes down-regulated when C4A expression increased exhibit strong and specific genetic enrichment for SCZ risk. This convergent genomic signal reflected neuronal, synaptic processes and was sexually dimorphic and most prominent in frontal cortical brain regions. Overall, these results indicate that synaptic pathways—rather than the complement system—are the driving force conferring SCZ risk.

Abstract Reciprocal deletion and duplication of 16p11.2 region is the most common copy number variation (CNV) associated with Autism Spectrum Disorders. We generated cortical organoids from skin fibroblasts of patients with 16p11.2 CNV to investigate impacted neurodevelopmental processes. We show that organoid size recapitulates macrocephaly and microcephaly phenotypes observed in the patients with 16p11.2 deletions and duplications. The CNV has mirror-opposite effect on neuronal maturation, proliferation, and synapse number, in concordance with its effect on brain growth in humans. We demonstrate that 16p11.2 CNV alters the ratio of neurons to neural progenitors in organoids during early neurogenesis, with excess of neurons and depletion of neural progenitors observed in deletions, and mirror phenotypes in duplications. Transcriptomic and proteomic profiling revealed multiple dysregulated pathways, including defects in neuron migration. Inhibition of activity of the small GTPase RhoA rescued migration deficits. This study provides insights into potential neurobiological mechanisms behind the 16p11.2 CNV during neocortical development.

Abstract The gut viral community has been linked to human physiology and health, but our knowledge of its genetic and functional contents and disease dependence is far from complete. Here, we collected 11,327 bulk or viral metagenomes from fecal samples from large-scale Chinese populations to establish a Chinese gut virus catalogue (cnGVC) comprising 67,096 nonredundant viral genomes. This catalogue included ∼70% of novel viruses that are not represented in existing gut viral databases, and allowed us to characterize the functional diversity and specificity of the gut virome. Using cnGVC, we 1) profiled the gut virome in large-scale populations and evaluated their sex- and age-related variations, 2) investigated the diversity and compositional patterns of the gut virome across common diseases by analyzing 6,314 bulk metagenomes spanning 28 disease or unhealthy statuses, and 3) identified a large number of universal viral signatures of diseases and validated their predictive ability for health status. Overall, our resources and results would contribute to the grand effort of expanding the knowledge of the human gut virome and addressing a full picture of the associations between viruses and common diseases.

Summary Alternative splicing plays important role in brain development, however its global contribution to human neurodevelopmental diseases (NDD) has not been fully investigated. Here, we examined the relationships between full-length splicing isoforms expression in the brain and de novo loss-of-function mutations identified in the patients with NDDs. We analyzed the full-length isoform transcriptome of the developing human brain and observed differentially expressed isoforms and isoform co-expression modules undetectable by gene-level analyses. These isoforms were enriched in loss-of-function mutations and microexons, co-expressed with a unique set of partners, and had higher prenatal expression. We experimentally tested the impact of splice site mutations in five NDD risk genes, including SCN2A , DYRK1A and BTRC, and demonstrated exon skipping. Furthermore, our results suggest that the splice site mutation in BTRC reduces translational efficiency, likely impacting Wnt signaling through impaired degradation of β-catenin. We propose that functional effect of mutations associated with human diseases should be investigated at the isoform-rather than the gene-level resolution. Highlights Differential isoform expression analysis of the human brain transcriptome reveals neurodevelopmental processes and pathways undetectable by differential gene expression analyses. Splicing isoforms impacted by neurodevelopmental disease (NDD) risk mutations exhibit higher prenatal expression, are enriched in microexons and are involved in neuronal-related functions. Isoform co-expression network analysis identifies modules with splicing and synaptic functions that are enriched in NDD mutations. Splice site mutations impacting NDD risk genes cause exon skipping and produce novel isoforms with altered biological properties. Functional impact of mutations should be investigated at the full-length isoform-level rather than the gene-level resolution

Abstract To survive in evolving environments with uncertain resources, animals need to dynamically adapt their behavior and exhibit flexibility in choosing appropriate behavioral strategies, for example, to exploit familiar choices, to explore and acquire novel information, or to disengage altogether. Previous studies have mainly investigated how forebrain regions represent choice costs and values as well as optimal decision strategies during explore/exploit trade-offs. However, the neural mechanisms by which the brain implements alternative behavioral strategies such as exploiting, exploring or disengaging from the environment, remains poorly understood. Here we identify a neural hub critical for flexible switching between behavioral strategies, the median raphe nucleus (MRN). Using cell-type specific optogenetic manipulations, calcium fiber photometry and circuit tracing in mice performing diverse instinctive and learnt behavioral tasks, we found that the MRN’s main cell types, GABAergic, glutamatergic (VGluT2-positive), and serotonergic neurons, have complementary functions and drive exploitation, exploration and disengagement, respectively. Suppression of MRN GABAergic neurons, for instance through inhibitory input from lateral hypothalamus which conveys strong positive valence to the MRN, leads to perseverance in current actions and goals, and thus promotes exploitatory behavior. In contrast, activation of MRN VGluT2+ neurons drives exploratory behavior. Activity of serotonergic MRN neurons is necessary for general task engagement. Input from the lateral habenula conveying negative valence suppresses serotonergic MRN neurons, leading to disengagement. These findings establish the MRN as a central behavioral switchboard, uniquely positioned to flexibly control behavioral strategies. These circuits thus may also play an important role in the etiology and possible treatment of major mental pathologies such as depressive or obsessive-compulsive disorders.

Summary Twenty-eight years following the breakthrough discovery that a single-gene mutation of daf-2 can double the lifespan of Caenorhabditis elegans , it remains unclear where this gene, which encodes an insulin/IGF-1 receptor, is expressed and where it acts to regulate aging. Here, by inserting DNA sequences of fluorescent tags into the genomic locus of daf-2 and that of its downstream transcription factor daf-16 , we determined that both genes are expressed in most or all tissues from embryos through adulthood, in line with their diverse functions. Using tissue-specific auxin-induced protein degradation, we determined that both DAF-2 and DAF-16 act in the intestine to regulate organismal aging. Strikingly, loss of DAF-2 in the intestine nearly doubled C. elegans lifespan but did not produce the adverse developmental or reproductive phenotypes associated with genetic daf-2 mutants. These findings unify the mechanism of lifespan regulation by genes and that by dietary restriction, and begin to focus anti-aging research on nutrient supply. Highlights daf-2 and daf-16 are expressed in most or all cells of C. elegans using genome editing. DAF-2 and DAF-16 both regulate lifespan from the intestine as determined using auxin-induced protein degradation. Reduced insulin signaling in the intestine nearly doubles C. elegans lifespan without adverse effects on development or reproduction. Lifespan regulation by genes and dietary restriction are unified by intestinal supply of nutrients and metabolism.

Abstract Autism spectrum disorder (ASD) is a highly heterogeneous disorder, yet transcriptomic profiling of bulk brain tissue has identified substantial convergence among dysregulated genes and pathways in ASD. However, this approach lacks cell-specific resolution. We performed comprehensive transcriptomic analyses on bulk tissue and laser-capture microdissected (LCM) neurons of 59 postmortem human brains (27 ASD and 32 matched controls) in the superior temporal gyrus (STG) ranging from 2-73 years of age. In bulk tissue, synaptic signaling, heat shock protein-related pathways and RNA splicing were significantly altered in ASD. There was age-dependent dysregulation of genes involved in GABA ( GAD1 and GAD2 ) and glutamate ( SLC38A1 ) signaling pathways. In LCM neurons, AP-1 mediated neuroinflammation and insulin/IGF-1 signaling pathways were upregulated in ASD, while mitochondrial function, ribosome and spliceosome components were downregulated. GABA synthesizing enzymes GAD1 and GAD2 were both downregulated in ASD neurons. Alterations in small nucleolar RNAs (snoRNAs) associated with splicing events suggested interplay between snoRNA dysregulation and splicing disruption in neurons of individuals with ASD. Our findings supported the fundamental hypothesis of altered neuronal communication in ASD, demonstrated that inflammation was elevated at least in part in ASD neurons, and may reveal windows of opportunity for biotherapeutics to target the trajectory of gene expression and clinical manifestation of ASD throughout the human lifespan.

Abstract RNA splicing is highly prevalent in the brain and has strong links to neuropsychiatric disorders, yet the role of cell-type-specific splicing or transcript-isoform diversity during human brain development has not been systematically investigated. Here, we leveraged single-molecule long-read sequencing to deeply profile the full-length transcriptome of the germinal zone (GZ) and cortical plate (CP) regions of the developing human neocortex at tissue and single-cell resolution. We identified 214,516 unique isoforms, of which 72.6% are novel (unannotated in Gencode-v33), and uncovered a substantial contribution of transcript-isoform diversity, regulated by RNA binding proteins, in defining cellular identity in the developing neocortex. We leveraged this comprehensive isoform-centric gene annotation to re-prioritize thousands of rare de novo risk variants and elucidate genetic risk mechanisms for neuropsychiatric disorders. One-Sentence Summary A cell-specific atlas of gene isoform expression helps shape our understanding of brain development and disease. Structured Abstract INTRODUCTION The development of the human brain is regulated by precise molecular and genetic mechanisms driving spatio-temporal and cell-type-specific transcript expression programs. Alternative splicing, a major mechanism increasing transcript diversity, is highly prevalent in the human brain, influences many aspects of brain development, and has strong links to neuropsychiatric disorders. Despite this, the cell-type-specific transcript-isoform diversity of the developing human brain has not been systematically investigated. RATIONALE Understanding splicing patterns and isoform diversity across the developing neocortex has translational relevance and can elucidate genetic risk mechanisms in neurodevelopmental disorders. However, short-read sequencing, the prevalent technology for transcriptome profiling, is not well suited to capturing alternative splicing and isoform diversity. To address this, we employed third-generation long-read sequencing, which enables capture and sequencing of complete individual RNA molecules, to deeply profile the full-length transcriptome of the germinal zone (GZ) and cortical plate (CP) regions of the developing human neocortex at tissue and single-cell resolution. RESULTS We profiled microdissected GZ and CP regions of post-conception week (PCW) 15-17 human neocortex in bulk and at single-cell resolution across six subjects using high-fidelity long-read sequencing (PacBio IsoSeq). We identified 214,516 unique isoforms, of which 72.6% were novel (unannotated in Gencode), and >7,000 novel exons, expanding the proteome by 92,422 putative proteoforms. We uncovered thousands of isoform switches during cortical neurogenesis predicted to impact RNA regulatory domains or protein structure and implicating previously uncharacterized RNA-binding proteins in cellular identity and neuropsychiatric disease. At the single-cell level, early-stage excitatory neurons exhibited the greatest isoform diversity, and isoform-centric single-cell clustering led to the identification of previously uncharacterized cell states. We systematically assessed the contribution of transcriptomic features, and localized cell and spatio-temporal transcript expression signatures across neuropsychiatric disorders, revealing predominant enrichments in dynamic isoform expression and utilization patterns and that the number and complexity of isoforms per gene is strongly predictive of disease. Leveraging this resource, we re-prioritized thousands of rare de novo risk variants associated with autism spectrum disorders (ASD), intellectual disability (ID), and neurodevelopmental disorders (NDDs), more broadly, to potentially more severe consequences and revealed a larger proportion of cryptic splice variants with the expanded transcriptome annotation provided in this study. CONCLUSION Our study offers a comprehensive landscape of isoform diversity in the human neocortex during development. This extensive cataloging of novel isoforms and splicing events sheds light on the underlying mechanisms of neurodevelopmental disorders and presents an opportunity to explore rare genetic variants linked to these conditions. The implications of our findings extend beyond fundamental neuroscience, as they provide crucial insights into the molecular basis of developmental brain disorders and pave the way for targeted therapeutic interventions. To facilitate exploration of this dataset we developed an online portal ( https://sciso.gandallab.org/ ).

The roles and regulatory mechanisms of transriptome changes during aging are unclear. It has been proposed that the transcriptome suffers decay during aging owing to age-associated down-regulation of transcription factors. In this study, we characterized the role of a transcription factor DAF-16, which is a highly conserved lifespan regulator, in the normal aging process of Caenorhabditis elegans. We found that DAF-16 translocates into the nucleus in aged wild-type worms and activates the expression of hundreds of genes in response to age-associated cellular stress. Most of the age-dependent DAF-16 targets are different from the canonical DAF-16 targets downstream of insulin signaling, indicating that activation of DAF-16 during aging is not due to reduced insulin signaling from DAF-2. Further analysis showed that it is due to the loss of proteostasis during aging, at least in part. We also found that without daf-16, dramatic gene expression changes occur as early as on adult day 2, indicating that DAF-16 acts to stabilize the transcriptome during normal aging. Our results thus reveal that normal aging is not simply a process in which the gene expression program descends into chaos due to loss of regulatory activities; rather, there is active transcriptional regulation that fights aging.