Abstract Advances in single-cell RNA-sequencing technology over the last decade have enabled exponential increases in throughput: datasets with over a million cells are becoming commonplace. The burgeoning scale of data generation, combined with the proliferation of alternative analysis methods, led us to develop the scFlow toolkit and the nf-core/scflow pipeline for reproducible, efficient, and scalable analyses of single-cell and single-nuclei RNA-sequencing data. The scFlow toolkit provides a higher level of abstraction on top of popular single-cell packages within an R ecosystem, while the nf-core/scflow Nextflow pipeline is built within the nf-core framework to enable compute infrastructure-independent deployment across all institutions and research facilities. Here we present our flexible pipeline, which leverages the advantages of containerization and the potential of Cloud computing for easy orchestration and scaling of the analysis of large case/control datasets by even non-expert users. We demonstrate the functionality of the analysis pipeline from sparse-matrix quality control through to insight discovery with examples of analysis of four recently published public datasets and describe the extensibility of scFlow as a modular, open-source tool for single-cell and single nuclei bioinformatic analyses.

Abstract Microglial activation plays central roles in neuro-inflammatory and neurodegenerative diseases. Positron emission tomography (PET) targeting 18kDa Translocator Protein (TSPO) is widely used for localising inflammation in vivo , but its quantitative interpretation remains uncertain. We show that TSPO expression increases in activated microglia in mouse brain disease models but does not change in a non-human primate disease model or in common neurodegenerative and neuroinflammatory human diseases. We describe genetic divergence in the TSPO gene promoter, consistent with the hypothesis that the increase in TSPO expression in activated myeloid cells is unique to a subset of species within the Muroidea superfamily of rodents. We show that TSPO is mechanistically linked to classical pro-inflammatory myeloid cell function in rodents but not humans. These data emphasise that TSPO expression in human myeloid cells is related to different phenomena than in mice, and that TSPO PET reflects density of inflammatory cells rather than activation state.

Abstract Brain perfusion and normal blood brain barrier integrity are reduced early in Alzheimer’s disease (AD). We performed single nucleus RNA sequencing of vascular cells isolated from AD and control brains to characterise pathological transcriptional signatures. We found that endothelial cells (EC) are enriched for expression of genes associated with susceptibility to AD. EC transcriptional signatures identified mechanisms for impaired β-amyloid clearance. Evidence for immune activation was found with upregulation of interferon signalling genes in EC and in pericytes (PC). Transcriptional signatures suggested dysregulation of vascular homeostasis and angiogenesis with upregulation of pro-angiogenic signals ( HIF1A ) and metabolism in EC, but downregulation of homeostatic growth factor pathways (VEGF, EGF, insulin) in EC and PC and of extracellular matrix genes in fibroblasts (FB). Our genomic dissection of vascular cell risk gene enrichment suggests a potentially causal role for EC and defines transcriptional signatures associated with microvascular dysfunction in AD.

Abstract To better define roles that astrocytes and microglia play in Alzheimer’s disease (AD), we used single-nuclei RNA sequencing to comprehensively characterize transcriptomes in astrocyte and microglia nuclei isolated post mortem from neuropathologically-defined AD and control brains with a range of amyloid-beta and phospho-tau (pTau) pathology. Significant differences in glial gene expression (including AD risk genes expressed in astrocytes [ CLU, MEF2C, IQCK ] and microglia [ APOE, MS4A6A, PILRA ]) were correlated with tissue amyloid and pTau expression. Astrocytes were enriched for proteostatic, inflammatory and metal ion homeostasis pathways. Pathways for phagocytosis, proteostasis and autophagy were highly enriched in microglia and perivascular macrophages. Gene co-expression analyses revealed potential functional associations of soluble biomarkers of AD in astrocytes ( CLU ) and microglia ( GPNMB ). Our work highlights responses of both astrocytes and microglia for pathological protein clearance and inflammation, as well as glial transcriptional diversity in AD.

Brain perfusion and blood-brain barrier (BBB) integrity are reduced early in Alzheimer's disease (AD). We performed single nucleus RNA sequencing of vascular cells isolated from AD and non-diseased control brains to characterise pathological transcriptional signatures responsible for this. We show that endothelial cells (EC) are enriched for expression of genes associated with susceptibility to AD. Increased β-amyloid is associated with BBB impairment and a dysfunctional angiogenic response related to a failure of increased pro-angiogenic HIF1A to increased VEGFA signalling to EC. This is associated with vascular inflammatory activation, EC senescence and apoptosis. Our genomic dissection of vascular cell risk gene enrichment provides evidence for a role of EC pathology in AD and suggests that reducing vascular inflammatory activation and restoring effective angiogenesis could reduce vascular dysfunction contributing to the genesis or progression of early AD.

Abstract Mathys et al ., conducted the first single-nucleus RNA-Seq study (snRNA-Seq) of Alzheimer’s disease (AD) 1 . The authors profiled the transcriptomes of approximately 80,000 cells from the prefrontal cortex, collected from 48 individuals – 24 of which presented with varying degrees of AD pathology. With bulk RNA-Seq, changes in gene expression across cell types can be lost, potentially masking the differentially expressed genes (DEGs) across different cell types. Through the use of single-cell techniques, the authors benefitted from increased resolution with the potential to uncover cell type-specific DEGs in AD for the first time 2 . However, there were limitations in both their data processing and quality control and their differential expression analysis. Here, we correct these issues and use best-practice approaches to snRNA-Seq differential expression, resulting 549 times fewer differentially expressed genes at a false discovery rate (FDR) of 0.05.

Abstract Summary The Omix pipeline offers an integration and analysis framework for multiomics intended to preprocess, analyse, and visualise multimodal data flexibly to address various research questions. From biomarker discovery and patient stratification to the investigation of complex biological processes, Omix empowers researchers to derive valuable insights from omics data. Using Alzheimer’s Disease (AD) bulk proteomics and transcriptomics datasets generated from two distinct regions derived from post-mortem brains, we demonstrate the utility of Omix in generating an integrated pseudo-temporal multi-omics profile of AD. Availability and Implementation Omix is implemented as a software package in R. The code for the Omix package is available at https://github.com/eleonoreschneeg/Omix . Reference documentation and online tutorials are available at https://eleonore-schneeg.github.io/Omix . All code is open-source and available under the GNU General Public License v3.0 (GPL-3). Contact eleonore.schneegans17@imperial.ac.uk , johanna.jackson@imperial.ac.uk

Multiple lines of evidence point to peripheral immune alterations in bipolar disorder (BD) although the activity of brain immune mechanisms remain largely unexplored. To identify the cell type-specific immune alterations in the BD brain, we performed a proteomic and single nuclear transcriptomic analysis of postmortem cingulate cortex samples from BD and control subjects. Our results showed that genes associated to the genetic risk for BD are enriched in microglia and astrocytes. Transcriptomic alterations in microglia point to a reduced proinflammatory phenotype, associated to reduced resistance to oxidative stress and apoptosis, which was confirmed with immunohistochemical quantification of IBA1 density. Astrocytes show transcriptomic evidence of an imbalance of multiple metabolic pathways, extracellular matrix composition and downregulated immune signalling. These alterations are associated to ADCY2 and NCAN, two GWAS genes upregulated in astrocytes. Finally, cell-cell communication analysis prioritized upregulated SPP1-CD44 signalling to astrocytes as a potential regulator of the transcriptomic alterations in BD. Our results indicate that microglia and astrocytes are characterized by downregulated immune responses associated to a dysfunction of core mechanisms via which these cells contribute to brain homeostasis.

Abstract Several cardiovascular traits and diseases co-occur with Alzheimer’s disease. We mapped their shared genetic architecture using multi-trait genome-wide association studies. Subsequent fine-mapping and colocalisation highlighted 16 genetic loci associated with both Alzheimer’s and cardiovascular diseases. We prioritised rs11786896, which colocalised with Alzheimer’s disease, atrial fibrillation and expression of PLEC in the heart left ventricle, and rs7529220, which colocalised with Alzheimer’s disease, atrial fibrillation and expression of C1Q family genes. Single-cell RNA-sequencing data, co-expression network and protein-protein interaction analyses provided evidence for different mechanisms of PLEC , which is upregulated in left ventricular endothelium and cardiomyocytes with heart failure and in brain astrocytes with Alzheimer’s disease. Similar common mechanisms are implicated for C1Q in heart macrophages with heart failure and in brain microglia with Alzheimer’s disease. These findings highlight inflammatory and pleomorphic risk determinants for the co-occurrence of Alzheimer’s and cardiovascular diseases and suggest PLEC, C1Q and their interacting proteins as potential therapeutic targets.