Abstract Herpes simplex virus type 1 (HSV-1) infection of the nervous system may lead to brain damage, including neurodegeneration. However, lack of suitable experimental models hinders understanding molecular mechanisms and cell-type-specific responses triggered by HSV-1. Here, we infected human brain organoids with HSV-1. Known features of HSV-1 infection such as alteration of neuronal electrophysiology and induction of antisense transcription were confirmed. Full-length mRNA-sequencing revealed aberrant 3’ end formation and poly(A)-tail lengthening. Single-cell RNA-seq and spatial transcriptomics uncovered changes in the cellular composition of the infected organoids caused by viral replication and dysregulation of molecular pathways in cell-type specific manner. Furthermore, hallmarks of early neurodegeneration were observed, namely extracellular matrix disruption, STMN2 and TARDBP/TDP43 downregulation, and upregulation of the AD-related non-coding RNA BC200/BCYRN1. These hallmarks were weaker/absent when infecting with a mutant HSV-1 control. Together, our data indicate that brain organoids serve as a powerful model to study mechanisms of HSV-1-driven neurodegeneration.

Abstract Spatial transcriptomics (ST) methods have been developed to unlock molecular mechanisms underlying tissue development, homeostasis, or disease. However, there is a need for easy-to-use, high-resolution, cost-efficient, and 3D-scalable methods. Here, we report Open-ST, a sequencing-based, open-source experimental and computational resource to address these challenges and to study the molecular organization of tissues in 3D. In mouse brain, Open-ST captured transcripts at subcellular resolution and reconstructed cell types. In primary tumor and patient-matched healthy/metastatic lymph nodes, Open-ST captured the diversity of immune, stromal and tumor populations in space. Distinct cell states were organized around cell-cell communication hotspots in the tumor, but not the metastasis. Strikingly, the 3D reconstruction and multimodal analysis of the metastatic lymph node revealed spatially contiguous structures not visible in 2D and potential biomarkers precisely at the 3D tumor/lymph node boundary. We anticipate Open-ST to accelerate the identification of spatial molecular mechanisms in 2D and 3D.

Abstract Expansion of the glutamine tract (poly-Q) in the protein huntingtin (HTT) causes the neurodegenerative disorder Huntington’s disease (HD). Emerging evidence suggests that mutant HTT (mHTT) disrupts brain development. To gain mechanistic insights into the neurodevelopmental impact of human mHTT, we engineered male induced pluripotent stem cells to introduce a biallelic or monoallelic mutant 70Q expansion or to remove the poly-Q tract of HTT. The introduction of a 70Q mutation caused aberrant development of cerebral organoids with loss of neural progenitor organization. The early neurodevelopmental signature of mHTT highlighted the dysregulation of the protein coiled-coil-helix-coiled-coil-helix domain containing 2 (CHCHD2), a transcription factor involved in mitochondrial integrated stress response. CHCHD2 repression was associated with abnormal mitochondrial morpho-dynamics that was reverted upon overexpression of CHCHD2. Removing the poly-Q tract from HTT normalized CHCHD2 levels and corrected key mitochondrial defects. Hence, mHTT-mediated disruption of human neurodevelopment is paralleled by aberrant neurometabolic programming mediated by dysregulation of CHCHD2, which could then serve as an early interventional target for HD.

Summary Mitochondrial disease encompasses untreatable conditions affecting tissues with high energy demands. A severe manifestation of mitochondrial disease is Leigh syndrome (Leigh), which causes defects in basal ganglia and midbrain regions, psychomotor regression, lactic acidosis, and early death. We previously generated isogenic pairs of Leigh cerebral organoids and uncovered defects in neuromorphogenesis. Here, we leveraged on this disease feature to devise drug discovery pipelines. We developed a deep learning algorithm tailored for cell type-specific drug repurposing to identify drugs capable of promoting neuronal commitment. In parallel, we performed a survival drug screen in yeast and validated the repurposable hits on branching capacity in Leigh neurons. The two approaches independently highlighted azole compounds, Talarozole and Sertaconazole, both of which lowered lactate release and improved neurogenesis and neurite organization in Leigh midbrain organoids. Hence, targeting neuromorphogenesis has led to identify potential new drugs for mitochondrial disease and could prove an effective strategy for further drug discovery.

ABSTRACT Cells live and interact in three-dimensional (3D) cellular neighborhoods. However, histology and spatial omics methods mostly focus on 2D tissue sections. Here we present a 3D spatial atlas of a routine clinical sample, an aggressive human lung carcinoma, by combining in situ quantification of 960 cancer-related genes across ∼340,000 cells with measurements of tissue-mechanical components. 3D cellular neighborhoods subdivided the tumor microenvironment into tumor, stromal, and immune multicellular niches. Interestingly, pseudotime analysis suggested that pro-invasive epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), detected in stroma-infiltrating tumor cells, already occurred in one region at the tumor surface. There, myofibroblasts and macrophages specifically co-localized with pre-invasive tumor cells and their multicellular molecular signature identified patients with shorter survival. Moreover, cytotoxic T-cells did not infiltrate this niche but colocalized with inhibitory dendritic and regulatory T cells. Importantly, systematic scoring of cell-cell interactions in 3D neighborhoods highlighted niche-specific signaling networks accompanying tumor invasion and immune escape. Compared to 2D, 3D neighborhoods improved the characterization of immune niches by identifying dendritic niches, capturing the 3D extension of T-cell niches and boosting the quantification of niche-specific cell-cell interactions, including druggable immune checkpoints. We believe that 3D communication analyses can improve the design of clinical studies investigating personalized, combination immuno-oncology therapies.