ABSTRACT Microglia are emerging as key drivers of neurological diseases. However, we lack a systematic understanding of the underlying mechanisms. Here, we present a screening platform to systematically elucidate functional consequences of genetic perturbations in human iPSC-derived microglia. We developed an efficient eight-day protocol for the generation of microglia-like cells based on the inducible expression of six transcription factors. We established inducible CRISPR interference and activation in this system and conducted three screens targeting the “druggable genome”. These screens uncovered genes controlling microglia survival, activation and phagocytosis, including neurodegeneration-associated genes. A screen with single-cell RNA sequencing as the readout revealed that these microglia adopt a spectrum of states mirroring those observed in human brains and identified regulators of these states. A disease-associated state characterized by SPP1 expression was selectively depleted by CSF1R inhibition. Thus, our platform can systematically uncover regulators of microglia states, enabling their functional characterization and therapeutic targeting.

Abstract Activation of microglia, the brain’s innate immune cells, is a prominent pathological feature in tauopathies, including Alzheimer’s disease. How microglia activation contributes to tau toxicity remains largely unknown. Here we show that nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells (NF-κB) signaling, activated by tau, drives microglial-mediated tau propagation and toxicity. Constitutive activation of microglial NF-κB exacerbated, while inactivation diminished, tau seeding and spreading in PS19 mice, consistent with the observation that NF-κB activation accelerates processing of internalized tau fibrils in primary microglia. Remarkably, inhibition of microglial NF-κB specifically also rescued tau-mediated learning and memory deficits, and restored overall transcriptomic changes while increasing tau inclusions. On a single cell level, we discovered that tau-associated disease states in microglia were diminished by NF-κB inactivation and further transformed by constitutive NF-κB activation. Our study establishes a central role for microglial NF-κB signaling in mediating tau toxicity in tauopathy.

ABSTRACT The hemizygous R47H variant of TREM2 , a microglia-specific gene in the brain, increases risk for late-onset Alzheimer’s disease (AD). In this study, we identified a subpopulation of microglia with disease-enhancing proinflammatory signatures associated with the R47H mutation in human AD brains and tauopathy mouse brains. Using transcriptomic analysis at the single-nuclei level from AD patients with the R47H or the common variant (CV )-TREM2 with matched sex, pathology and APOE status, we found that the R47H mutation was associated with cell type- and sex-specific transcriptional changes in human AD brains, with microglia exhibiting the most robust alterations. Further characterization revealed that R47H-associated microglial subpopulations had enhanced inflammatory signatures including hyperactivation of Akt, one of the signaling pathways downstream of TREM2. In a newly-generated tauopathy knock-in mouse model expressing one allele of human TREM2 ( hTREM2) with either the R47H mutation or CV, R47H induced and exacerbated tau-mediated spatial memory deficits in female mice. Single-cell transcriptomic analysis of microglia from these mice also revealed transcriptomic changes induced by R47H that had significant overlaps with R47H microglia in human AD brains, including robust increases in proinflammatory cytokines, activation of Syk-Akt-signaling, and elevation of a subset of disease-associated microglial signatures. Strikingly, pharmacological Akt inhibition largely reversed the enhanced inflammatory signatures induced by R47H in primary microglia treated with tau fibrils. By unraveling the disease-enhancing properties of the R47H mutation in mouse and human, our findings shed light on an immune-linked AD subtype and provide new directions for modulating microglial immune responses to treat AD.

Microglia are resident immune cells that play critical roles in maintaining normal physiology of the central nervous system. Remarkably, microglia have intrinsic capacity to replenish after being acutely ablated. However, the underlying mechanisms that drive such microglial restoration remain elusive. Here, we removed microglia via CSF1R inhibitor PLX5622 and characterized repopulation both spatially and temporally. We also investigated the cellular origin of repopulated microglia and report that microglia are replenished via self-renewal, with little contribution from non-microglial lineage progenitors, including nestin+ progenitors and the circulating myeloid population. Interestingly, spatial analyses with multi-color labeling reveal that newborn microglia recolonize the parenchyma by forming distinctive clusters that maintain stable territorial boundaries over time, indicating proximal expansion nature of adult microgliogenesis and stability of microglia tiling. Temporal transcriptome profiling from newborn microglia at different repopulation stages revealed that the adult newborn microglia gradually regain steady-state maturity from an immature state that is reminiscent of neonatal stage and follow a series of maturation programs that include NF-kB activation, interferon immune activation and apoptosis, etc. Importantly, we show that the restoration of microglial homeostatic density requires NF-kB signaling as well as apoptotic egress of excessive cells. In summary, our study reports key events that take place from microgliogenesis to homeostasis re-establishment.

Demyelination occurs in aging and associated diseases, including Alzheimer9s disease. Several of these diseases exhibit sex differences in prevalence and severity. Biological sex primarily stems from sex chromosomes and gonads releasing sex hormones. To dissect mechanisms underlying sex differences in demyelination of aging brains, we constructed a transcriptomic atlas of cell type-specific responses to illustrate how sex chromosomes, gonads, and their interaction shape responses to demyelination. We found that sex-biased oligodendrocyte and microglial responses are driven by interaction of sex chromosomes and gonads prior to myelin loss. Post demyelination, sex chromosomes mainly guide microglial responses, while gonadal composition influences oligodendrocyte signaling. Significantly, ablation of the X-linked gene Toll-like receptor 7 (Tlr7), which exhibited sex-biased expression during demyelination, abolished the sex-biased responses and protected against demyelination.