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.

Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterised by a progressive loss of motor function. The eponymous spinal sclerosis observed at autopsy is the result of the degeneration of extratelencephalic neurons, Betz cells (ETNs, Cortico-Spinal Motor Neuron). It remains unclear why this neuronal subtype is selectively affected. To understand the unique molecular properties that sensitise these cells to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In unaffected individuals, we found that expression of ALS risk genes was significantly enriched in THY1 + -ETNs and not in other cell types. In patients, these genetic risk factors, as well as genes involved in protein homeostasis and stress responses, were significantly induced in a wide collection of ETNs, but not in neurons with more superficial identities. Examination of oligodendroglial and microglial nuclei revealed patient-specific changes that were at least in part a response to alterations in neurons: downregulation of myelinating genes in oligodendrocytes and upregulation of a reactive state connected to endo-lysosomal pathways in microglia. Our findings suggest that the selective vulnerability of extratelencephalic neurons is partly connected to their intrinsic molecular properties sensitising them to genetics and mechanisms of degeneration. Graphical abstract and working model Our study highlights cell type specific changes in premotor/motor cortex of sporadic ALS patients. Specifically, we identify upregulation of synaptic molecules in excitatory neurons of upper cortical layers, interestingly correlating to hyperexcitability phenotypes seen in patients. Moreover, excitatory neurons of the deeper layers of the cortex, that project to the spinal cord and are most affected by the disease, show higher levels of cellular stresses than other neuronal types. Correspondently, oligodendrocytes transition from a highly myelinating state to a more neuronally engaged state, probably to counteract stressed phenotypes seen in excitatory neurons. At the same time, microglia show a reactive state with specific upregulation of endo-lysosomal pathways.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disorder characterized by a progressive loss of motor function linked to degenerating extratelencephalic neurons/Betz cells (ETNs). The reasons why these neurons are selectively affected remain unclear. Here, to understand the unique molecular properties that may sensitize ETNs to ALS, we performed RNA sequencing of 79,169 single nuclei from cortices of patients and controls. In both patients and unaffected individuals, we found significantly higher expression of ALS risk genes in THY1

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.

Cellular exposure to free fatty acids (FFA) is implicated in the pathogenesis of obesity-associated diseases. However, studies to date have assumed that a few select FFAs are representative of broad structural categories, and there are no scalable approaches to comprehensively assess the biological processes induced by exposure to diverse FFAs circulating in human plasma. Furthermore, assessing how these FFA- mediated processes interact with genetic risk for disease remains elusive. Here we report the design and implementation of FALCON (Fatty Acid Library for Comprehensive ONtologies) as an unbiased, scalable and multimodal interrogation of 61 structurally diverse FFAs. We identified a subset of lipotoxic monounsaturated fatty acids (MUFAs) with a distinct lipidomic profile associated with decreased membrane fluidity. Furthermore, we developed a new approach to prioritize genes that reflect the combined effects of exposure to harmful FFAs and genetic risk for type 2 diabetes (T2D). Importantly, we found that c-MAF inducing protein (CMIP) protects cells from exposure to FFAs by modulating Akt signaling and we validated the role of CMIP in human pancreatic beta cells. In sum, FALCON empowers the study of fundamental FFA biology and offers an integrative approach to identify much needed targets for diverse diseases associated with disordered FFA metabolism.FALCON (Fatty Acid Library for Comprehensive ONtologies) enables multimodal profiling of 61 free fatty acids (FFAs) to reveal 5 FFA clusters with distinct biological effectsFALCON is applicable to many and diverse cell typesA subset of monounsaturated FAs (MUFAs) equally or more toxic than canonical lipotoxic saturated FAs (SFAs) leads to decreased membrane fluidityNew approach prioritizes genes that represent the combined effects of environmental (FFA) exposure and genetic risk for diseaseC-Maf inducing protein (CMIP) is identified as a suppressor of FFA-induced lipotoxicity via Akt-mediated signaling.