Nearly all prostate cancer deaths are from metastatic castration-resistant prostate cancer (mCRPC), but there have been few whole-genome sequencing (WGS) studies of this disease state. We performed linked-read WGS on 23 mCRPC biopsy specimens and analyzed cell-free DNA sequencing data from 86 patients with mCRPC. In addition to frequent rearrangements affecting known prostate cancer genes, we observed complex rearrangements of the AR locus in most cases. Unexpectedly, these rearrangements include highly recurrent tandem duplications involving an upstream enhancer of AR in 70%-87% of cases compared with <2% of primary prostate cancers. A subset of cases displayed AR or MYC enhancer duplication in the context of a genome-wide tandem duplicator phenotype associated with CDK12 inactivation. Our findings highlight the complex genomic structure of mCRPC, nominate alterations that may inform prostate cancer treatment, and suggest that additional recurrent events in the non-coding mCRPC genome remain to be discovered.

Abstract The loss of dopamine (DA) neurons within the substantia nigra pars compacta (SNpc) is a defining pathological hallmark of Parkinson’s disease (PD). Nevertheless, the molecular features associated with DA neuron vulnerability have not yet been fully identified. Here, we developed a protocol to enrich and transcriptionally profile DA neurons from patients with PD and matched controls, sampling a total of 387,483 nuclei, including 22,048 DA neuron profiles. We identified ten populations and spatially localized each within the SNpc using Slide-seq. A single subtype, marked by the expression of the gene AGTR1 and spatially confined to the ventral tier of SNpc, was highly susceptible to loss in PD and showed the strongest upregulation of targets of TP53 and NR2F2 , nominating molecular processes associated with degeneration. This same vulnerable population was specifically enriched for the heritable risk associated with PD, highlighting the importance of cell-intrinsic processes in determining the differential vulnerability of DA neurons to PD-associated degeneration.

A key aspect of nearly all single-cell sequencing experiments is dissociation of intact tissues into single-cell suspensions. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression. Here, we demonstrate that use of enzymatic dissociation on brain tissue induces an aberrant ex vivo gene expression signature, most prominently in microglia, which is prevalent in published literature and can substantially confound downstream analyses. To address this issue, we present a rigorously validated protocol that preserves both in vivo transcriptional profiles and cell-type diversity and yield across tissue types and species. We also identify a similar signature in postmortem human brain single-nucleus RNA-sequencing datasets, and show that this signature is induced in freshly isolated human tissue by exposure to elevated temperatures ex vivo. Together, our results provide a methodological solution for preventing artifactual gene expression changes during fresh tissue digestion and a reference for future deeper analysis of the potential confounding states present in postmortem human samples.

Abstract Microglia have emerged as key players in the pathogenesis of neurodegenerative conditions such as Alzheimer’s disease (AD). In response to CNS stimuli, these cells adopt distinct transcriptional and functional subtypes known as states. However, an understanding of the function of these states has been elusive, especially in human microglia, due to lack of tools to model and manipulate this cell-type. Here, we provide a platform for modeling human microglia transcriptional states in vitro . Using single-cell RNA sequencing, we found that exposure of human stem-cell differentiated microglia (iMGLs) to brain-related challenges generated extensive transcriptional diversity which mapped to gene signatures identified in human brain microglia. We identified two in vitro transcriptional clusters that were analogous to human and mouse disease-associated microglia (DAMs), a state enriched in neurodegenerative disease contexts. To facilitate scalable functional analyses, we established a lentiviral approach enabling broad and highly efficient genetic transduction of microglia in vitro . Using this new technology, we demonstrated that MITF (Melanocyte Inducing Transcription Factor), an AD-enriched transcription factor in microglia, drives both a disease-associated transcriptional signature and a highly phagocytic state. Finally, we confirmed these results across iMGLs differentiated from multiple iPSC lines demonstrating the broad utility of this platform. Together, these tools provide a comprehensive resource that enables the manipulation and functional interrogation of human microglial states in both homeostatic and disease-relevant contexts.

Abstract Midbrain dopamine (DA) neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc) project widely throughout the central nervous system, playing critical roles in voluntary movements, reward processing, and working memory. Many of these neurons are highly sensitive to neurodegeneration in Parkinson’s Disease (PD), and their loss correlates strongly with the pathognomonic symptoms. To characterize these populations molecularly, we developed a protocol to enrich and transcriptionally profile DA neuron nuclei from postmortem human SNpc of both PD patients and matched controls. We identified a total of ten distinct populations, including one that was primate-specific. A single subtype, marked by the gene AGTR1 , was highly susceptible to degeneration, and was enriched for expression of genes associated with PD in genetic studies, suggesting many risk loci act within this subtype to influence its neurodegeneration. The AGTR1 subtype also showed the strongest upregulation of TP53 and its downstream targets, nominating a potential pathway of degeneration in vivo . The transcriptional characterization of differentially disease-vulnerable DA neurons in the SNpc will inform the development of laboratory models, enable the nomination of novel disease biomarkers, and guide further studies of pathogenic disease mechanisms.

Abstract Osteocytes use an elaborate network of dendritic connections to control bone remodeling. Some osteoblasts embed within mineralized bone matrix, change shape, and become osteocytes. The molecular circuitry that drives dendrite formation during “osteocytogenesis” is poorly understood. Here we show that deletion of Sp7 , a gene linked to rare and common skeletal disease, in mature osteoblasts and osteocytes causes severe defects in osteocyte dendrites. Unbiased profiling of Sp7 target genes and binding sites reveals unexpected repurposing of this transcription factor to drive dendrite formation. Osteocrin is a Sp7 target gene that promotes osteocyte dendrite formation and rescues phenotypic and molecular defects in Sp7-deficient mice. Single-cell RNA-sequencing demonstrates overt defects in osteocyte maturation in vivo in the absence of Sp7. Sp7-dependent gene networks enriched in developing osteocytes are associated with rare and common human skeletal traits. Moreover, humans homozygous for the osteogenesis imperfecta-causing SP7 R316C mutation show dramatic defects in osteocyte morphology. Genes that mark osteocytes in vivo and that are regulated by Sp7 in vitro are highly enriched in neurons, highlighting shared features between osteocytic and neuronal connectivity. Taken together, these findings reveal a crucial role for Sp7 and its target gene Osteocrin in osteocytogenesis, demonstrating that pathways that control osteocyte development influence human bone diseases.

Cellular perturbations underlying Alzheimer's disease are primarily studied in human postmortem samples and model organisms. Here we generated a single-nucleus atlas from a rare cohort of cortical biopsies from living individuals with varying degrees of Alzheimer's disease pathology. We next performed a systematic cross-disease and cross-species integrative analysis to identify a set of cell states that are specific to early AD pathology. These changes-which we refer to as the Early Cortical Amyloid Response-were prominent in neurons, wherein we identified a transient state of hyperactivity preceding loss of excitatory neurons, which correlated with the selective loss of layer 1 inhibitory neurons. Microglia overexpressing neuroinflammatory-related processes also expanded as AD pathological burden increased. Lastly, both oligodendrocytes and pyramidal neurons upregulated genes associated with amyloid beta production and processing during this early hyperactive phase. Our integrative analysis provides an organizing framework for targeting circuit dysfunction, neuroinflammation, and amyloid production early in AD pathogenesis.

Abstract A key aspect of nearly all single cell experiments is the necessity to dissociate intact tissues into single cell suspensions for processing. While many protocols have been optimized for optimal cell yield, they have often overlooked the effects that dissociation can have on ex vivo gene expression changes during this process. Microglia, the brain’s resident macrophages, are a highly dynamic population that are extremely sensitive to their microenvironment and have been shown to dramatically alter their transcriptome upon stimulation. We demonstrate that use of enzymatic dissociation methods on mouse central nervous system (CNS) tissue induces an aberrant gene expression signature in microglia that can significantly confound downstream analysis. To minimize this issue, we developed a flexible protocol, that can be used with existing enzymatic protocols for fresh tissue, to eliminate artifactual gene expression while allowing for increased cell type diversity and yield. We demonstrate efficacy of this protocol in analysis of diverse CNS cell types and sorted myeloid populations while using enzymatic dissociation. Generation of new and reanalysis of previously published human brain single nucleus RNAseq (snRNA-seq) datasets reveal that a similar signature is also present in post-mortem tissue. Through novel snRNA-seq analysis of acutely-resected neurosurgical tissue we demonstrate that this signature can be induced in human tissue due to technical differences in sample processing. These results provide key insight into the potential confounds of enzymatic digestion and provide a solution to allow for enzymatic digestion for scRNA-seq while avoiding ex vivo transcriptional artifacts. Analysis of human tissue reveals potential for artifacts in current and future snRNA-seq datasets that will require deeper analysis and careful consideration to separate true biology from artifacts related to post-mortem processes.