Abstract Characterization of the genetic landscape of Alzheimer’s disease (AD) and related dementias (ADD) provides a unique opportunity for a better understanding of the associated pathophysiological processes. We performed a two-stage genome-wide association study totaling 111,326 clinically diagnosed/‘proxy’ AD cases and 677,663 controls. We found 75 risk loci, of which 42 were new at the time of analysis. Pathway enrichment analyses confirmed the involvement of amyloid/tau pathways and highlighted microglia implication. Gene prioritization in the new loci identified 31 genes that were suggestive of new genetically associated processes, including the tumor necrosis factor alpha pathway through the linear ubiquitin chain assembly complex. We also built a new genetic risk score associated with the risk of future AD/dementia or progression from mild cognitive impairment to AD/dementia. The improvement in prediction led to a 1.6- to 1.9-fold increase in AD risk from the lowest to the highest decile, in addition to effects of age and the APOE ε4 allele.

Abstract Cerebral organoids are 3D stem cell-derived models that can be utilized to study the human brain. The current consensus is that cerebral organoids consist of cells derived from the neuroectodermal lineage. This limits their value and applicability, as mesodermal-derived microglia are important players in neural development and disease. Remarkably, here we show that microglia can innately develop within a cerebral organoid model and display their characteristic ramified morphology. The transcriptome and response to inflammatory stimulation of these organoid-grown microglia closely mimic the transcriptome and response of adult microglia acutely isolated from post mortem human brain tissue. In addition, organoid-grown microglia mediate phagocytosis and synaptic material is detected inside them. In all, our study characterizes a microglia-containing organoid model that represents a valuable tool for studying the interplay between microglia, macroglia, and neurons in human brain development and disease.

Microglia, the specialized innate immune cells of the CNS, play crucial roles in neural development and function. Different phenotypes and functions have been ascribed to rodent microglia, but little is known about human microglia (huMG) heterogeneity. Difficulties in procuring huMG and their susceptibility to cryopreservation damage have limited large-scale studies. Here we applied multiplexed mass cytometry for a comprehensive characterization of postmortem huMG (103 – 104 cells). We determined expression levels of 57 markers on huMG isolated from up to five different brain regions of nine donors. We identified the phenotypic signature of huMG, which was distinct from peripheral myeloid cells but was comparable to fresh huMG. We detected microglia regional heterogeneity using a hybrid workflow combining Cytobank and R/Bioconductor for multidimensional data analysis. Together, these methodologies allowed us to perform high-dimensional, large-scale immunophenotyping of huMG at the single-cell level, which facilitates their unambiguous profiling in health and disease. Single-cell mass cytometry was applied to comprehensively characterize postmortem and fresh human microglia. Using a hybrid workflow for multidimensional data analysis, a core signature and regional heterogeneity were identified.

Abstract Microglial cells have emerged as potential key players in brain aging and pathology. To capture the heterogeneity of microglia across ages and regions, and to understand how genetic risk for neurological and psychiatric brain disorders is related to microglial function, large transcriptome studies are essential. Here, we describe the transcriptome analysis of 255 primary human microglia samples isolated at autopsy from multiple brain regions of 100 human subjects. We performed systematic analyses to investigate various aspects of microglial heterogeneities, including brain region, age and sex. We mapped expression and splicing quantitative trait loci and showed that many neurological disease susceptibility loci are mediated through gene expression or splicing in microglia. Fine-mapping of these loci nominated candidate causal variants that are within microglia-specific enhancers, including novel associations with microglia expression of USP6NL for Alzheimer’s disease, and P2RY12 for Parkinson’s disease. In summary, we have built the most comprehensive catalog to date of genetic effects on the microglia transcriptome and propose molecular mechanisms of action of candidate functional variants in several neurological and psychiatric diseases.

Abstract An increasing number of identified Parkinson’s disease (PD) risk loci contain genes highly expressed in innate immune cells, yet their potential role in pathological mechanisms is not obvious. We have generated transcriptomic profiles of CD14 + monocytes from 230 individuals with sporadic PD and age-matched healthy subjects. We identified dysregulation of genes involved in mitochondrial and proteasomal function. We also generated transcriptomic profiles of primary microglia from autopsied brains of 55 PD and control subjects and observed discordant transcriptomic signatures of mitochondrial genes in PD monocytes and microglia. We further identified PD susceptibility genes, whose expression, relative to each risk allele, is altered in monocytes. These findings reveal that transcriptomic mitochondrial alterations are detectable in PD monocytes and are distinct from brain microglia, and facilitates efforts to understand the roles of myeloid cells in PD.

Abstract While efforts to identify microglial subtypes have recently accelerated, the relation of transcriptomically defined states to function has been largely limited to in silico annotations. Here, we characterize a set of pharmacological compounds that have been proposed to polarize human microglia towards two distinct states – one enriched for AD and MS genes and another characterized by increased expression of antigen presentation genes. Using different model systems including HMC3 cells, iPSC-derived microglia and cerebral organoids, we characterize the effect of these compounds in mimicking human microglial subtypes in vitro . We show that the Topoisomerase I inhibitor Camptothecin induces a CD74 high /MHC high microglial subtype which is specialized in amyloid beta phagocytosis. Camptothecin suppressed amyloid toxicity and restored microglia back to their homeostatic state in a zebrafish amyloid model. Our work provides avenues to recapitulate human microglial subtypes in vitro , enabling functional characterization and providing a foundation for modulating human microglia in vivo .

Objective: Dysregulation of the immune system during pregnancy is associated with adverse pregnancy outcomes. Recent studies report cytokine changes during the acute phase of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection. We examine whether there is a lasting association between SARS-CoV-2 infection during pregnancy and peripheral blood cytokine levels. Study design: We conducted a case-control study at the Mount Sinai health system in NYC including 100 SARS-CoV-2 IgG antibody positive people matched to 100 SARS-CoV-2 IgG antibody negative people on age, race/ethnicity, parity, and insurance status. Blood samples were collected at a median gestational age of 34 weeks. Levels of 14 cytokines were measured. Results: Individual cytokine levels and cytokine cluster Eigenvalues did not differ significantly between groups, indicating no persisting maternal cytokine changes after SARS-CoV-2 infection during pregnancy. Conclusion: Our findings suggest that the acute inflammatory response after SARS-CoV-2 infection may be restored to normal values during pregnancy.

Prenatal infections and activation of the maternal immune system have been proposed to contribute to causing neurodevelopmental disorders (NDDs), chronic conditions often linked to brain abnormalities. Microglia are the resident immune cells of the brain and play a key role in neurodevelopment. Disruption of microglial functions can lead to brain abnormalities and increase the risk of developing NDDs. How the maternal as well as the fetal immune system affect human neurodevelopment and contribute to NDDs remains unclear. An important reason for this knowledge gap is the fact that the impact of exposure to prenatal risk factors has been challenging to study in the human context. Here, we characterized a model of cerebral organoids (CO) with integrated microglia (COiMg). These organoids express typical microglial markers and respond to inflammatory stimuli. The presence of microglia influences cerebral organoid development, including cell density and neural differentiation, and regulates the expression of several ciliated mesenchymal cell markers. Moreover, COiMg and organoids without microglia show similar but also distinct responses to inflammatory stimuli. Additionally, IFN-γ induced significant transcriptional and structural changes in the cerebral organoids, that appear to be regulated by the presence of microglia. Specifically, interferon-gamma (IFN-γ) was found to alter the expression of genes linked to autism. This model provides a valuable tool to study how inflammatory perturbations and microglial presence affect neurodevelopmental processes.

Antibodies against the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) have been described in the serum of people with schizophrenia spectrum disorders (schizophrenia). However, the prevalence and clinical relevance of these antibodies in schizophrenia is unclear. This knowledge gap includes the possibility of such antibodies being associated with a distinct clinical profile, which in turn might warrant a distinct treatment approach. We aimed to assess the seroprevalence of anti-NMDAR antibodies in schizophrenia, and compare symptoms and psychosocial functioning between patients with schizophrenia who were seropositive and seronegative for these antibodies.