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.

Summary While motor and cortical neurons are affected in C9orf72 ALS/FTD, it remains still largely unknown if and how non-neuronal cells induce or exacerbate neuronal damage. We generated C9orf72 ALS/FTD patient-derived induced pluripotent stem cells differentiated into microglia (iPSC-MG) and examined their intrinsic phenotypes. Similar to iPSC motor neurons, C9orf72 ALS/FTD iPSC-MG mono-cultures form G 4 C 2 repeat RNA foci, exhibit reduced C9orf72 protein levels and generate dipeptide repeat proteins. Healthy control and C9orf72 iPSC-MG equivalently express microglial specific genes and display microglial functions including inflammatory cytokine release and phagocytosis of extracellular toxic cargos such as synthetic amyloid beta peptides and healthy human brain synaptoneurosomes. Select C9orf72 iPSC-MG patient lines show inability to efficiently remove phagocytosed contents, suggesting dysfunction of the endosomal-lysosomal pathways. Finally, RNA sequencing revealed overall transcriptional changes in diseased microglia yet no significant differentially expressed microglial-enriched genes. These minimal differences in cellular, molecular and functional characteristics of microglial mono-cultures suggest that a diseased microenvironment is associated with microglial activation and subsequent regulation of neuronal dysfunction.

Abstract The non-coding genome is substantially larger than the protein-coding genome but is largely unexplored by genetic association studies. Here, we performed region-based burden analysis of >25,000 variants in untranslated regions of 6,139 amyotrophic lateral sclerosis (ALS) whole-genomes and 70,403 non-ALS controls. We identified Interleukin-18 Receptor Accessory Protein (IL18RAP) 3′UTR variants significantly enriched in non-ALS genomes, replicated in an independent cohort, and associated with a five-fold reduced risk of developing ALS. Variant IL18RAP 3′UTR reduces mRNA stability and the binding of RNA-binding proteins. Variant IL18RAP 3′UTR further dampens neurotoxicity of human iPSC-derived C9orf72-ALS microglia that depends on NF-κB signaling. Therefore, the variant IL18RAP 3′UTR provides survival advantage for motor neurons co-cultured with C9-ALS microglia. The study reveals direct genetic evidence and therapeutic targets for neuro-inflammation, and emphasizes the importance of non-coding genetic association studies. One Sentence Summary Non-coding genetic variants in IL-18 receptor 3’UTR decrease ALS risk by modifying IL-18-NF-κB signaling in microglia.

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Abstract Hexanucleotide repeat expansion (HRE) within C9orf72 is the most common genetic cause of frontotemporal dementia (FTD). Thalamic atrophy occurs in both sporadic and familial FTD but is thought to distinctly affect HRE carriers. Separately, emerging evidence suggests widespread de-repression of transposable elements (TEs) in the brain in several neurodegenerative diseases, including C9orf72 HRE-mediated FTD (C9-FTD). Whether TE activation can be measured in peripheral blood and how the reduction in peripheral C9orf72 expression observed in HRE carriers relates to atrophy and clinical impairment remain unknown. We used the FreeSurfer pipeline and its extensions to assess the effects of C9orf72 HRE and clinical diagnosis ( n = 78) on atrophy of thalamic nuclei. We also generated a novel, whole-blood RNA-seq dataset to determine the relationships between peripheral C9orf72 expression, TE activation, thalamic atrophy, and clinical severity ( n = 114). We confirmed global thalamic atrophy and reduced C9orf72 expression in HRE carriers. Moreover, we identified disproportionate atrophy of the right mediodorsal lateral nucleus in HRE carriers and showed that C9orf72 expression associated with clinical severity, independent of thalamic atrophy. Strikingly, we found global peripheral activation of TEs, including the human endogenous LINE-1 element, L1HS. L1HS levels were associated with atrophy of multiple pulvinar nuclei, a thalamic region implicated in C9-FTD. Integration of peripheral transcriptomic and neuroimaging data from HRE carriers revealed atrophy of specific thalamic nuclei; demonstrated that C9orf72 levels relate to clinical severity; and identified marked de-repression of TEs, including L1HS , which predicted atrophy of FTD-relevant thalamic nuclei. Significance Statement Pathogenic repeat expansion in C9orf72 is the most frequent genetic cause of frontotemporal dementia and amyotrophic lateral sclerosis (C9-FTD/ALS). The clinical, neuroimaging, and pathological features of C9-FTD/ALS are well-characterized, whereas the intersections of transcriptomic dysregulation and brain structure remain largely unexplored. Herein, we utilized a novel radiogenomic approach to examine the relationship between peripheral blood transcriptomics and thalamic atrophy, a neuroimaging feature disproportionately impacted in C9-FTD/ALS. We confirmed reduction of C9orf72 in blood and found broad dysregulation of transposable elements—genetic elements typically repressed in the human genome—in symptomatic C9orf72 expansion carriers, which associated with atrophy of thalamic nuclei relevant to FTD. C9orf72 expression was also associated with clinical severity, suggesting that peripheral C9orf72 levels capture disease-relevant information.

Abstract Directed differentiation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) enables the production of relevant cell types for studies of human biology, disease-modeling, and efforts towards cellular therapy and transplantation. However, the low yield and purity of desired cell types can limit the utility of this approach. Enhancing differentiation purity can require extensive optimization of morphogen treatments, and this can still be ineffective for iPSC lines with biased or aberrant differentiation propensities. To address these limitations, we have developed a new approach for increasing the purity of iPSC directed differentiation cultures called R NA sequencing and A ntisense-assisted D ifferentiation (RAD). We performed trajectory analysis of single cell RNA sequencing during iPSC differentiation into endoderm to identify transcription factors responsible for committing cells to undesired, non-endodermal fates. Specific suppression of these transcription factors using antisense oligonucleotides (ASOs) increased the percentage of endodermal cells by up to 20-fold in 3 different iPSC lines that exhibited poor endoderm differentiation. Moreover, this approach required minimal culture manipulation. Thus, RAD improves the utility of iPSCs for basic and translational studies.

ABSTRACT Amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia patients with a hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 (C9-HRE) accumulate poly-GR and poly-PR aggregates. The pathogenicity of these arginine-rich dipeptide repeats (R-DPRs) is thought to be driven by their propensity to bind to low complexity domains of multivalent proteins. However, the ability of R-DPRs to bind native RNA and the significance of this interaction remains unclear. We used computational and experimental approaches to characterize the physicochemical properties of R-DPRs and their interaction with RNA. We find that poly-GR predominantly binds ribosomal RNA (rRNA) in cells and exhibits an interaction that is predicted to be energetically stronger than that for associated ribosomal proteins. Critically, modified rRNA “bait” oligonucleotides restore poly-GR-associated ribosomal deficits in cells and ameliorate poly-GR toxicity in patient neurons and Drosophila models. Our work strengthens the hypothesis that ribosomal function is impaired by R-DPRs, highlights a role for direct rRNA binding in mediating ribosomal disfunction, and presents a strategy for protecting against C9-HRE pathophysiological mechanisms.

Although cellular reprogramming continues to generate new cell types, reprogramming remains a rare cellular event. The molecular mechanisms that limit reprogramming, particularly to somatic lineages, remain unclear. By examining fibroblast-to-motor neuron conversion, we identify a previously unappreciated dynamic between transcription and replication that determines reprogramming competency. Transcription factor overexpression forces most cells into states that are refractory to reprogramming and are characterized by either hypertranscription with little cell division, or hyperproliferation with low transcription. We identify genetic and chemical factors that dramatically increase the number of cells capable of both hypertranscription and hyperproliferation. Hypertranscribing, hyperproliferating cells reprogram at 100-fold higher, near-deterministic rates. We demonstrate that elevated topoisomerase expression endows cells with privileged reprogramming capacity, suggesting that biophysical constraints limit cellular reprogramming to rare events.

Abstract Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease with a complex, multifactorial pathophysiology, most commonly manifest as loss of motor neurons. We introduce a new mechanism of ALS pathogenesis via a novel drug-like small molecule series that targets protein disulfide isomerase (PDI) within a previously unappreciated transient and energy-dependent multi-protein complex. This novel drug was found to have activity in cellular models for both familial and sporadic ALS, as well as in transgenic worms, flies, and mice bearing a diversity of human genes with ALS-associated mutations. These compounds were initially identified as modulators of human immunodeficiency virus (HIV) capsid assembly in cell-free protein synthesis and assembly (CFPSA) systems, with demonstrated antiviral activity in cell culture. Their advancement as ALS-therapeutics, and the subsequent separation of activity against HIV and ALS in chemical subseries through structure-activity-relationship optimization, may provide insights into the molecular mechanisms governing pathophysiology of disordered homeostasis relevant to ALS.

The most common known cause of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is a hexanucleotide repeat expansion (HRE) in C9ORF72 that contributes to neurodegeneration by both loss-of-function (decreased C9ORF72 protein levels) and gain-of-function (e.g. dipeptide repeat protein production) mechanisms. Although therapeutics targeting the gain-of-function mechanisms are in clinical development, it is unclear if these will be efficacious given the contribution of C9ORF72 loss-of-function processes to neurodegeneration. Moreover, there is a lack of therapeutic strategies for C9ORF72 ALS/FTD with demonstrated efficacy in vivo. Here, we show that small molecule inhibition of PIKFYVE kinase rescues both loss- and gain-of-function C9ORF72 disease mechanisms in vivo. We find that the reduction of C9ORF72 in mouse motor neurons leads to a decrease in early endosomes. In contrast, treatment with the PIKFYVE inhibitor apilimod increases the number of endosomes and lysosomes. We show that reduced C9ORF72 levels increases glutamate receptor levels in hippocampal neurons in mice, and that apilimod treatment rescues this excitotoxicity-related phenotype in vivo. Finally, we show that apilimod also alleviates the gain-of-function pathology induced by the C9ORF72 HRE by decreasing levels of dipeptide repeat proteins derived from both sense and antisense C9ORF72 transcripts in hippocampal neurons in vivo. Our data demonstrate the neuroprotective effect of PIKFYVE kinase inhibition in both gain- and loss-of-function murine models of C9ORF72 ALS/FTD.