Abstract The development of the human brain involves unique processes (not observed in many other species) that can contribute to neurodevelopmental disorders 1–4 . Cerebral organoids enable the study of neurodevelopmental disorders in a human context. We have developed the CRISPR–human organoids–single-cell RNA sequencing (CHOOSE) system, which uses verified pairs of guide RNAs, inducible CRISPR–Cas9-based genetic disruption and single-cell transcriptomics for pooled loss-of-function screening in mosaic organoids. Here we show that perturbation of 36 high-risk autism spectrum disorder genes related to transcriptional regulation uncovers their effects on cell fate determination. We find that dorsal intermediate progenitors, ventral progenitors and upper-layer excitatory neurons are among the most vulnerable cell types. We construct a developmental gene regulatory network of cerebral organoids from single-cell transcriptomes and chromatin modalities and identify autism spectrum disorder-associated and perturbation-enriched regulatory modules. Perturbing members of the BRG1/BRM-associated factor (BAF) chromatin remodelling complex leads to enrichment of ventral telencephalon progenitors. Specifically, mutating the BAF subunit ARID1B affects the fate transition of progenitors to oligodendrocyte and interneuron precursor cells, a phenotype that we confirmed in patient-specific induced pluripotent stem cell-derived organoids. Our study paves the way for high-throughput phenotypic characterization of disease susceptibility genes in organoid models with cell state, molecular pathway and gene regulatory network readouts.

Development of the human brain involves processes that are not seen in many other species, but can contribute to neurodevelopmental disorders (1–4). Cerebral organoids can be used to investigate neurodevelopmental disorders in a human context but are limited by variability and low throughput. We have developed the CRISPR-human organoids-scRNA-seq (CHOOSE) system that utilizes verified pairs of gRNAs, inducible CRISPR/Cas9-based genetic disruption, and single-cell transcriptomics for pooled loss-of-function screening in mosaic organoids. Genetic perturbations of 36 high-risk autism spectrum disorder (ASD) genes related to transcriptional regulation allowed us to identify their effects on cell fate determination and discover developmental stages susceptible to ASD gene perturbations. We construct a developmental gene regulatory network (GRN) of cerebral organoids from single-cell multiomic data including transcriptome and chromatin modalities and identify ASD-associated and perturbation-enriched regulatory modules. We show that perturbing members of the BAF chromatin remodeling complex leads to an expanded population of ventral telencephalon progenitors. Specifically, the BAF subunit ARID1B controls the fate transitions of progenitors to oligodendrocyte precursor cells and interneurons, which we confirmed in patient-specific induced pluripotent stem cell (iPSC) derived organoids. Our study paves the way for phenotypically characterizing disease susceptibility genes in human organoid models with cell type, developmental trajectory, and gene regulatory network readouts.