Abstract The mammalian spinal cord functions as a community of glial and neuronal cell types to accomplish sensory processing, autonomic control, and movement; conversely, the dysfunction of these cell types following spinal cord injury or disease states can lead to chronic pain, paralysis, and death. While we have made great strides in understanding spinal cellular diversity in animal models, it is crucial to characterize human biology directly to uncover specialized features of basic function and to illuminate human pathology. Here, we present a cellular taxonomy of the adult human spinal cord using single nucleus RNA-sequencing with spatial transcriptomics and antibody validation. We observed 29 glial clusters, including rare cell types such as ependymal cells, and 35 neuronal clusters, which we found are organized principally by anatomical location. To demonstrate the potential of this resource for understanding human disease, we analyzed the transcriptome of spinal motoneurons that are prone to degeneration in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and other diseases. We found that, compared with all other spinal neurons, human motoneurons are defined by genes related to cell size, cytoskeletal structure, and ALS, thereby supporting a model of a specialized motoneuron molecular repertoire that underlies their selective vulnerability to disease. We include a publicly available browsable web resource with this work, in the hope that it will catalyze future discoveries about human spinal cord biology.

Progranulin (PGRN) is a lysosomal protein implicated in various neurodegenerative diseases. Over 70 mutations discovered in the GRN gene all result in reduced expression of PGRN protein. However, the detailed molecular function of PGRN within lysosomes and the impact of PGRN deficiency on lysosomal biology remain unclear. Here we leveraged multifaceted proteomic techniques to comprehensively characterize how PGRN deficiency changes the molecular and functional landscape of neuronal lysosomes. Using lysosome proximity labeling and immuno-purification of intact lysosomes, we characterized lysosome compositions and interactomes in both human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived glutamatergic neurons (i3Neurons) and mouse brains. Using dynamic stable isotope labeling by amino acids in cell culture (dSILAC) proteomics, we measured global protein half-lives in i3Neurons for the first time and characterized the impact of progranulin deficiency on neuronal proteostasis. Together, this study indicated that PGRN loss impairs the lysosome's degradative capacity with increased levels of v-ATPase subunits on the lysosome membrane, increased catabolic enzymes within the lysosome, elevated lysosomal pH, and pronounced alterations in neuron protein turnover. Collectively, these results suggested PGRN as a critical regulator of lysosomal pH and degradative capacity, which in turn influences global proteostasis in neurons. The multi-modal techniques developed here also provided useful data resources and tools to study the highly dynamic lysosome biology in neurons.

ABSTRACT Proximity-based in situ labeling techniques offer a unique way to capture both stable and transient protein-protein and protein-organelle interactions. Combining this technology with mass spectrometry (MS)-based proteomics allows us to obtain snapshots of molecular microenvironments with nanometer resolution, facilitating the discovery of complex and dynamic protein networks. However, a number of technical challenges still exist, such as interferences from endogenously biotinylated proteins and other highly abundant bystanders, how to select the proper controls to minimize false discoveries, and experimental variations among biological/technical replicates. Here, we developed a new method to capture the proteomic microenvironment of the neuronal endolysosomal network, by knocking in (KI) an engineered ascorbate peroxidase (APEX) gene to the endogenous locus of lysosome-associated membrane protein 1 (LAMP1). We found that normalizing proximity labeling proteomics data to the endogenously biotinylated protein (PCCA) can greatly reduce variations and enable fair comparisons among different batch of APEX labeling and different APEX probes. We conducted comparative evaluation between this KI-LAMP1-APEX method and our two overexpression LAMP1-APEX probes, achieving complementary coverage of both known and new lysosomal membrane and lysosomal-interacting proteins in human iPSC-derived neurons. To summarize, this study demonstrated new analytical tools to characterize lysosomal functions and microenvironment in human neurons and filled critical gaps in the field for designing and optimizing proximity labeling proteomic experiments.