Recent understanding of how the systemic environment shapes the brain throughout life has led to numerous intervention strategies to slow brain ageing1–3. Cerebrospinal fluid (CSF) makes up the immediate environment of brain cells, providing them with nourishing compounds4,5. We discovered that infusing young CSF directly into aged brains improves memory function. Unbiased transcriptome analysis of the hippocampus identified oligodendrocytes to be most responsive to this rejuvenated CSF environment. We further showed that young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell (OPC) proliferation and differentiation in the aged hippocampus and in primary OPC cultures. Using SLAMseq to metabolically label nascent mRNA, we identified serum response factor (SRF), a transcription factor that drives actin cytoskeleton rearrangement, as a mediator of OPC proliferation following exposure to young CSF. With age, SRF expression decreases in hippocampal OPCs, and the pathway is induced by acute injection with young CSF. We screened for potential SRF activators in CSF and found that fibroblast growth factor 17 (Fgf17) infusion is sufficient to induce OPC proliferation and long-term memory consolidation in aged mice while Fgf17 blockade impairs cognition in young mice. These findings demonstrate the rejuvenating power of young CSF and identify Fgf17 as a key target to restore oligodendrocyte function in the ageing brain. Fgf17 in young CSF boosts oligodendrocyte progenitor cell proliferation and differentiation in the aged hippocampus, improving memory function.

The ability to slow or reverse biological ageing would have major implications for mitigating disease risk and maintaining vitality1. Although an increasing number of interventions show promise for rejuvenation2, their effectiveness on disparate cell types across the body and the molecular pathways susceptible to rejuvenation remain largely unexplored. Here we performed single-cell RNA sequencing on 20 organs to reveal cell-type-specific responses to young and aged blood in heterochronic parabiosis. Adipose mesenchymal stromal cells, haematopoietic stem cells and hepatocytes are among those cell types that are especially responsive. On the pathway level, young blood invokes new gene sets in addition to reversing established ageing patterns, with the global rescue of genes encoding electron transport chain subunits pinpointing a prominent role of mitochondrial function in parabiosis-mediated rejuvenation. We observed an almost universal loss of gene expression with age that is largely mimicked by parabiosis: aged blood reduces global gene expression, and young blood restores it in select cell types. Together, these data lay the groundwork for a systemic understanding of the interplay between blood-borne factors and cellular integrity.

ABSTRACT The biological mechanisms that sustain the vast blood production required for healthy life remain incompletely understood. To address this knowledge gap, we developed an in vivo hematopoietic stem cell (HSC)-based large-scale CRISPR knockout screening platform to enable the genetic interrogation of hematopoiesis and broad aspects of immune cell function in vivo. Targeting ∼7000 genes with this methodology, we discovered SAGA complex members Tada2b and Taf5l as key regulators of HSC lineage commitment. Loss of Tada2b or Taf5l inhibited hematopoiesis in vivo and was associated with upregulation of interferon response gene expression. SAGA complex member expression is significantly reduced in aged HSCs and upregulated with heterochronic parabiosis, suggesting a novel mechanism of age-associated hematopoietic decline and rejuvenation. Our study provides a rich functional genetics resource of hematopoiesis regulators accessible through a public interactive database ( www.hematopoiesiscrisprscreens.com ), a novel mechanism regulating age-related decline of hematopoiesis, and a new methodology with broad applications to systematically probe the development and functions of the lymphohematopoietic system.

Abstract Several genetic risk factors for Alzheimer’s Disease (AD) implicate genes involved in lipid metabolism and many of these lipid genes are highly expressed in glial cells. However, the relationship between lipid metabolism in glia and AD pathology remains poorly understood. Through single-nucleus RNA-sequencing of AD brain tissue, we have identified a microglial state defined by the expression of the lipid droplet (LD) associated enzyme ACSL1 with ACSL1-positive microglia most abundant in AD patients with the APOE4/4 genotype. In human iPSC-derived microglia (iMG) fibrillar Aβ (fAβ) induces ACSL1 expression, triglyceride synthesis, and LD accumulation in an APOE-dependent manner. Additionally, conditioned media from LD-containing microglia leads to Tau phosphorylation and neurotoxicity in an APOE-dependent manner. Our findings suggest a link between genetic risk factors for AD with microglial LD accumulation and neurotoxic microglial-derived factors, potentially providing novel therapeutic strategies for AD.

Background: Large copy number variants (CNVs) in the human genome are strongly associated with common neurodevelopmental, neuropsychiatric disorders such as schizophrenia and autism. Using Hi-C analysis of long-range chromosome interactions, including haplotype-specific Hi-C analysis, and ChIP-Seq analysis of regulatory histone marks, we studied the epigenomic effects of the prominent heterozygous large deletion CNV on chromosome 22q11.2 and also replicated a subset of the findings for the heterozygous large deletion CNV on chromosome 1q21.1. Results: There are local and global gene expression changes as well as pronounced and multilayered effects on chromatin states, chromosome folding and topological domains of the chromatin, that emanate from the large CNV locus. Regulatory histone marks are altered in the deletion flanking regions, and in opposing directions for activating and repressing marks. Histone marks are changed along chromosome 22q and genome wide. Chromosome interaction patterns are weakened within the deletion boundaries and strengthened between the deletion flanking regions. The long-range folding contacts between the telomeric end of chromosome 22q and the distal deletion-flanking region are increased. On the chromosome 22q with deletion the topological domain spanning the CNV boundaries is deleted in its entirety while neighboring domains interact more intensely with each other. Finally, there is a widespread and complex effect on chromosome interactions genome-wide, i.e. involving all other autosomes, with some of the effect directly tied to the deletion region on 22q11.2. Conclusions: These findings suggest novel principles of how such large genomic deletions can alter nuclear organization and affect genomic molecular activity.

Mutations in the C9ORF72 gene are the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Both toxic gain of function and loss of function pathogenic mechanisms have been proposed. Accruing evidence from mouse knockout studies point to a role for C9ORF72 as a regulator of immune function. To provide further insight into its cellular function, we performed a genome-wide synthetic lethal CRISPR screen in human myeloid cells lacking C9ORF72. We discovered a strong synthetic lethal genetic interaction between C9ORF72 and FIS1, which encodes a mitochondrial membrane protein involved in mitochondrial fission and mitophagy. Mass spectrometry experiments revealed that in C9ORF72 knockout cells, FIS1 strongly bound to a class of immune regulators that activate the receptor for advanced glycation end (RAGE) products and trigger inflammatory cascades. These findings present a novel genetic interactor for C9ORF72 and suggest a compensatory role for FIS1 in suppressing inflammatory signaling in the absence of C9ORF72.

Hexanucleotide repeat expansions in the C9orf72 gene are the most common cause of amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia (c9FTD/ALS). The nucleotide repeat expansions are translated into dipeptide repeat (DPR) proteins, which are aggregation-prone and may contribute to neurodegeneration. Studies in model organisms, including yeast and flies have converged upon nucleocytoplasmic transport as one underlying pathogenic mechanism, but a comprehensive understanding of the molecular and cellular underpinnings of DPR toxicity in human cells is still lacking. We used the bacteria-derived clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-Cas9 system to perform genome-wide gene knockout screens for suppressors and enhancers of C9orf72 DPR toxicity in human cells. We validated hits by performing secondary CRISPR-Cas9 screens in primary mouse neurons. Our screens revealed genes involved in nucleocytoplasmic transport, reinforcing the previous findings from model systems. We also uncovered new potent modifiers of DPR toxicity whose gene products function in the endoplasmic reticulum (ER), proteasome, RNA processing pathways, and in chromatin modification. Since regulators of ER stress emerged prominently from the screens, we further investigated one such modifier, TMX2, which we identified as a modulator of the ER-stress signature elicited by C9orf72 DPRs in neurons. Together, this work identifies novel suppressors of DPR toxicity that represent potential therapeutic targets and demonstrates the promise of CRISPR-Cas9 screens to define mechanisms of neurodegenerative diseases.

Microglia become progressively activated and seemingly dysfunctional with age, and genetic studies have linked these cells to the pathogenesis of a growing number of neurodegenerative diseases. Here we report a striking buildup of lipid droplets in microglia with aging in mouse and human brains. These cells, which we call lipid droplet-accumulating microglia (LAM), are defective in phagocytosis, produce high levels of reactive oxygen species, and secrete pro-inflammatory cytokines. RNA sequencing analysis of LAM revealed a transcriptional profile driven by innate inflammation distinct from previously reported microglial states. An unbiased CRISPR-Cas9 screen identified genetic modifiers of lipid droplet formation; surprisingly, variants of several of these genes, including progranulin, are causes of autosomal dominant forms of human neurodegenerative diseases. We thus propose that LAM contribute to age-related and genetic forms of neurodegeneration.

K562 is widely used in biomedical research. It is one of three tier-one cell lines of ENCODE and also most commonly used for large-scale CRISPR/Cas9 screens. Although its functional genomic and epigenomic characteristics have been extensively studied, its genome sequence and genomic structural features have never been comprehensively analyzed. Such information is essential for the correct interpretation and understanding of the vast troves of existing functional genomics and epigenomics data for K562. We performed and integrated deep-coverage whole-genome (short-insert), mate-pair, and linked-read sequencing as well as karyotyping and array CGH analysis to identify a wide spectrum of genome characteristics in K562: copy numbers (CN) of aneuploid chromosome segments at high-resolution, SNVs and Indels (both corrected for CN in aneuploid regions), loss of heterozygosity, mega-base-scale phased haplotypes often spanning entire chromosome arms, structural variants (SVs) including small and large-scale complex SVs and non-reference retrotransposon insertions. Many SVs were phased, assembled, and experimentally validated. We identified multiple allele-specific deletions and duplications within the tumor suppressor gene FHIT. Taking aneuploidy into account, we re-analyzed K562 RNA-seq and whole-genome bisulfite sequencing data for allele-specific expression and allele-specific DNA methylation. We also show examples of how deeper insights into regulatory complexity are gained by integrating genomic variant information and structural context with functional genomics and epigenomics data. Furthermore, using K562 haplotype information, we produced an allele-specific CRISPR targeting map. This comprehensive whole-genome analysis serves as a resource for future studies that utilize K562 as well as a framework for the analysis of other cancer genomes.