Summary

 Cerebral organoids, three-dimensional cultures that model organogenesis, provide a new platform to investigate human brain development. High cost, variability, and tissue heterogeneity limit their broad applications. Here, we developed a miniaturized spinning bioreactor (SpinΩ) to generate forebrain-specific organoids from human iPSCs. These organoids recapitulate key features of human cortical development, including progenitor zone organization, neurogenesis, gene expression, and, notably, a distinct human-specific outer radial glia cell layer. We also developed protocols for midbrain and hypothalamic organoids. Finally, we employed the forebrain organoid platform to model Zika virus (ZIKV) exposure. Quantitative analyses revealed preferential, productive infection of neural progenitors with either African or Asian ZIKV strains. ZIKV infection leads to increased cell death and reduced proliferation, resulting in decreased neuronal cell-layer volume resembling microcephaly. Together, our brain-region-specific organoids and SpinΩ provide an accessible and versatile platform for modeling human brain development and disease and for compound testing, including potential ZIKV antiviral drugs.

Cytosine methylation is the major covalent modification of mammalian genomic DNA and plays important roles in transcriptional regulation. The molecular mechanism underlying the enzymatic removal of this epigenetic mark, however, remains elusive. Here, we show that 5-methylcytosine (5mC) hydroxylase TET1, by converting 5mCs to 5-hydroxymethylcytosines (5hmCs), promotes DNA demethylation in mammalian cells through a process that requires the base excision repair pathway. Though expression of the 12 known human DNA glycosylases individually did not enhance removal of 5hmCs in mammalian cells, demethylation of both exogenously introduced and endogenous 5hmCs is promoted by the AID (activation-induced deaminase)/APOBEC (apolipoprotein B mRNA-editing enzyme complex) family of cytidine deaminases. Furthermore, Tet1 and Apobec1 are involved in neuronal activity-induced, region-specific, active DNA demethylation and subsequent gene expression in the dentate gyrus of the adult mouse brain in vivo. Our study suggests a TET1-induced oxidation-deamination mechanism for active DNA demethylation in mammals.

Adult neurogenesis, the birth and integration of new neurons from adult neural stem cells, is a striking form of structural plasticity and highlights the regenerative capacity of the adult mammalian brain1,2,3,4,5,6,7,8. Accumulating evidence suggests that neuronal activity regulates adult neurogenesis and that new neurons contribute to specific brain functions1,2,3,4,5,6,7,8. The mechanism that regulates the integration of newly generated neurons into the pre-existing functional circuitry in the adult brain is unknown. Here we show that newborn granule cells in the dentate gyrus of the adult hippocampus are tonically activated by ambient GABA (γ-aminobutyric acid) before being sequentially innervated by GABA- and glutamate-mediated synaptic inputs. GABA, the major inhibitory neurotransmitter in the adult brain, initially exerts an excitatory action on newborn neurons owing to their high cytoplasmic chloride ion content9,10,11,12. Conversion of GABA-induced depolarization (excitation) into hyperpolarization (inhibition) in newborn neurons leads to marked defects in their synapse formation and dendritic development in vivo. Our study identifies an essential role for GABA in the synaptic integration of newly generated neurons in the adult brain, and suggests an unexpected mechanism for activity-dependent regulation of adult neurogenesis, in which newborn neurons may sense neuronal network activity through tonic and phasic GABA activation.

The mammalian brain exhibits diverse types of neural plasticity, including activity-dependent neurogenesis in the adult hippocampus. How transient activation of mature neurons leads to long-lasting modulation of adult neurogenesis is unknown. Here we identify Gadd45b as a neural activity–induced immediate early gene in mature hippocampal neurons. Mice with Gadd45b deletion exhibit specific deficits in neural activity–induced proliferation of neural progenitors and dendritic growth of newborn neurons in the adult hippocampus. Mechanistically, Gadd45b is required for activity-induced DNA demethylation of specific promoters and expression of corresponding genes critical for adult neurogenesis, including brain-derived neurotrophic factor and fibroblast growth factor. Thus, Gadd45b links neuronal circuit activity to epigenetic DNA modification and expression of secreted factors in mature neurons for extrinsic modulation of neurogenesis in the adult brain.

Active adult neurogenesis occurs in discrete brain regions of all mammals and is widely regarded as a neuronal replacement mechanism. Whether adult-born neurons make unique contributions to brain functions is largely unknown. Here we systematically characterized synaptic plasticity of retrovirally labeled adult-born dentate granule cells at different stages during their neuronal maturation. We identified a critical period between 1 and 1.5 months of the cell age when adult-born neurons exhibit enhanced long-term potentiation with increased potentiation amplitude and decreased induction threshold. Furthermore, such enhanced plasticity in adult-born neurons depends on developmentally regulated synaptic expression of NR2B-containing NMDA receptors. Our study demonstrates that adult-born neurons exhibit the same classic critical period plasticity as neurons in the developing nervous system. The transient nature of such enhanced plasticity may provide a fundamental mechanism allowing adult-born neurons within the critical period to serve as major mediators of experience-induced plasticity while maintaining stability of the mature circuitry.

Summary

 Neurogenesis and gliogenesis continue in discrete regions of the adult mammalian brain. A fundamental question remains whether cell genesis occurs from distinct lineage-restricted progenitors or from self-renewing and multipotent neural stem cells in the adult brain. Here, we developed a genetic marking strategy for lineage tracing of individual, quiescent, and nestin-expressing radial glia-like (RGL) precursors in the adult mouse dentate gyrus. Clonal analysis identified multiple modes of RGL activation, including asymmetric and symmetric self-renewal. Long-term lineage tracing in vivo revealed a significant percentage of clones that contained RGL(s), neurons, and astrocytes, indicating capacity of individual RGLs for both self-renewal and multilineage differentiation. Furthermore, conditional Pten deletion in RGLs initially promotes their activation and symmetric self-renewal but ultimately leads to terminal astrocytic differentiation and RGL depletion in the adult hippocampus. Our study identifies RGLs as self-renewing and multipotent neural stem cells and provides novel insights into in vivo properties of adult neural stem cells.

Somatic stem cells contribute to tissue ontogenesis, homeostasis, and regeneration through sequential processes. Systematic molecular analysis of stem cell behavior is challenging because classic approaches cannot resolve cellular heterogeneity or capture developmental dynamics. Here we provide a comprehensive resource of single-cell transcriptomes of adult hippocampal quiescent neural stem cells (qNSCs) and their immediate progeny. We further developed Waterfall, a bioinformatic pipeline, to statistically quantify singe-cell gene expression along a de novo reconstructed continuous developmental trajectory. Our study reveals molecular signatures of adult qNSCs, characterized by active niche signaling integration and low protein translation capacity. Our analyses further delineate molecular cascades underlying qNSC activation and neurogenesis initiation, exemplified by decreased extrinsic signaling capacity, primed translational machinery, and regulatory switches in transcription factors, metabolism, and energy sources. Our study reveals the molecular continuum underlying adult neurogenesis and illustrates how Waterfall can be used for single-cell omics analyses of various continuous biological processes.

Neural stem/progenitor cells (NSCs) are capable of self-renewal and differentiation into all types of neural lineage under different biochemical and topographical cues. In this study, we cultured rat hippocampus-derived adult NSCs (rNSCs) on laminin-coated electrospun Polyethersulfone (PES) fiber meshes with average fiber diameters of 283 ± 45 nm, 749 ± 153 nm and 1452 ± 312 nm; and demonstrated that fiber diameter of PES mesh significantly influences rNSC differentiation and proliferation. Under the differentiation condition (in the presence of 1 μm retinoic acid and 1% fetal bovine serum), rNSCs showed a 40% increase in oligodendrocyte differentiation on 283-nm fibers and 20% increase in neuronal differentiation on 749-nm fibers, in comparison to tissue culture polystyrene surface. SEM imaging revealed that cells stretched multi-directionally to follow underlying 283-nm fibers, but extended along a single fiber axis on larger fibers. When cultured on fiber meshes in serum free medium in the presence of 20 ng/mL of FGF-2, rNSCs showed lower proliferation and more rounded morphology compared to that cultured on laminin-coated 2D surface. As the fiber diameter decreased, higher degree of proliferation and cell spreading and lower degree of cell aggregation were observed. This collective evidence indicates fiber topography can play a vital role in regulating differentiation and proliferation of rNSCs in culture.

This study maps the DNA methylome profile of adult mouse dentate gyrus neurons at the single-base resolution and finds prevalent methylation of both CpG dinucleotides and non-CpG cytosines (CpH). The study also shows that CpH methylation can repress transcription. Furthermore, CpH methylation is recognized by the Rett syndrome–associated protein MeCP2, which is established during neuronal maturation and maintained by DNA methyltransferase DNMT3A. DNA methylation has critical roles in the nervous system and has been traditionally considered to be restricted to CpG dinucleotides in metazoan genomes. Here we show that the single base–resolution DNA methylome from adult mouse dentate neurons consists of both CpG (∼75%) and CpH (∼25%) methylation (H = A/C/T). Neuronal CpH methylation is conserved in human brains, enriched in regions of low CpG density, depleted at protein-DNA interaction sites and anticorrelated with gene expression. Functionally, both methylated CpGs (mCpGs) and mCpHs can repress transcription in vitro and are recognized by methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) in neurons in vivo. Unlike most CpG methylation, CpH methylation is established de novo during neuronal maturation and requires DNA methyltransferase 3A (DNMT3A) for active maintenance in postmitotic neurons. These characteristics of CpH methylation suggest that a substantially expanded proportion of the neuronal genome is under cytosine methylation regulation and provide a new foundation for understanding the role of this key epigenetic modification in the nervous system.