Abstract Human microglia play a pivotal role in neurological diseases, but few targeted therapies that directly modulate microglial state or function exist due to an incomplete understanding of microglial heterogeneity. We use single-cell RNA sequencing to profile live human microglia from autopsies or surgical resections across diverse neurological diseases and central nervous system regions. We observe a central divide between oxidative and heterocyclic metabolism and identify subsets associated with antigen presentation, motility, and proliferation. Specific subsets are enriched in susceptibility genes for neurodegenerative diseases or the disease-associated microglial signature. We validate subtypes in situ with an RNAscope-immunofluorescence pipeline and leverage our dataset as a classification resource, finding that iPSC model systems recapitulate substantial in vivo heterogeneity. Finally, we identify and validate candidates for chemically inducing subtype-specific states in vitro , showing that Camptothecin downregulates the transcriptional signature of disease-enriched subsets and upregulates a signature previously shown to be depleted in Alzheimer’s.

Abstract Cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers are important for multiple sclerosis (MS) diagnosis. Moreover, absent of autopsy or biopsy tissue, CSF is the most relevant source for studying the immune cells involved in MS pathophysiology. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) provides new opportunities to advance our understanding of disease-associated changes in CSF immune cells. Here, using scRNA-seq data generated from 58 CSF and 10 PBMC samples, we provide an updated atlas of the immune cells present in human CSF in MS and other neuroinflammatory conditions, including novel lymphoid and myeloid cell clusters. Our atlas can thus serve as a reference for future studies of immune cells in neuroinflammation. Our further characterization of CSF myeloid cells suggests that most CSF microglia-like cells resemble two of the previously-described brain microglia signatures. Additionally, our data from a sex-mismatched bone marrow transplant recipient suggest that CSF microglia-like cells are of peripheral origin. Our comparisons between MS and other neuroinflammatory disorders show a highly-specific increase in plasma cells, along with reductions in the proportion of microglia-like cells in MS CSF. Furthermore, our analyses on MS patients receiving anti-CD20 therapy ocrelizumab suggest that the treatment effects are not limited to B cell depletion, and ocrelizumab appears to reverse some MS-associated T and myeloid changes in CSF. Finally, we utilized our atlas to prioritize (1) CSF cell types expressing genes associated with MS susceptibility, and (2) ligand-receptor gene pairs that are differentially expressed in MS CSF, providing targets for further mechanistic and causal investigations in pathophysiology and treatment of MS.

Abstract The polygenic and multi-cellular nature of multiple sclerosis (MS) immunopathology necessitates cell-type-specific molecular studies in order to improve our understanding of the diverse mechanisms underlying immune cell dysfunction in MS. Here, by generating a dataset of 1,075 transcriptomes from 209 participants (167 MS and 42 healthy), we assessed MS-associated transcriptional changes in six implicated cell-type-states: naïve and memory helper T cells and classical monocytes purified from peripheral blood, each in their primary ( ex vivo , unstimulated) and in vitro stimulated states. Our data suggest that primary profiles show larger MS-associated differences than the post-stimulation contexts. We further identified shared and distinct changes in individual genes, biological pathways, and co-expressed gene modules in MS T cells and monocytes, and prioritized genes such as ZBTB16 as MS-associated regulators in both cell types. Of six identified MS-associated co-expressed gene modules, three (two lymphoid and one myeloid) were replicated in independent data from peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and monocyte-derived macrophages. A subsequent in silico drug screen prioritized small-molecule compounds for reversing the perturbation of the MS-associated modules. The effects of glucocorticoid receptor agonists as the top-identified therapeutic class for the replicated T cell modules were validated using targeted in silico analyses and in vitro experiments, suggesting the coordinated dysregulation of glucocorticoid-responsive genes in MS T cells. In summary, our study identifies and validates individual genes and co-expressed gene modules from T and myeloid cells that are perturbed in MS, offering new targets for therapeutic discovery and biomarker development to guide the management of MS.

ABSTRACT We establish a genome-wide map of DNA methylation quantitative trait locus (mQTL) effects in CD4 + T cells isolated from multiple sclerosis (MS) patients. Utilizing this map in a colocalization analysis, we identify 19 loci where the same haplotype drives both MS susceptibility and local ( cis -) DNA methylation. We also identify two distant ( trans -) mQTL effects of MS susceptibility loci: (1) a chromosome 16 MS locus affects PRDM8 methylation (a chromosome 4 region not previously associated with MS susceptibility), and (2) the aggregate effect of MS variants in the major histocompatibility complex (MHC, chromosome 6) influences DNA methylation near PRKCA on chromosome 17. Both effects are replicated in independent samples. Overall, we present a new methylome-wide mQTL resource for a key cell type in inflammatory disease research, uncover functional consequences of MS susceptibility variants, including the convergence of MHC risk alleles onto a new gene target involved in predisposition to MS.

Microglia, the resident immune cells of the brain, have important roles in brain health. However, little is known about the regulation and consequences of microglial activation in the aging human brain. We assessed the effect of microglial activation in the aging human brain by calculating the proportion of activated microglia (PAM), based on morphologically defined stages of activation in four regions sampled postmortem from up to 225 elderly individuals. We found that cortical and not subcortical PAM measures were strongly associated with β-amyloid, tau-related neuropathology, and rates of cognitive decline. Effect sizes for PAM measures are substantial, comparable to that of APOE ε4, the strongest genetic risk factor for Alzheimer's disease. Mediation modeling suggests that PAM accelerates accumulation of tau pathology leading to cognitive decline, supporting an upstream role for microglial activation in Alzheimer's disease. Genome-wide analyses identified a common variant (rs2997325) influencing cortical PAM that also affected in vivo microglial activation measured by positron emission tomography using [11C]-PBR28 in an independent cohort. Finally, we identify overlaps of PAM's genetic architecture with those of Alzheimer's disease, educational attainment, and several other traits.

Abstract Importance A robust cerebrospinal fluid (CSF) cell cryopreservation protocol using high resolution single-cell (sc) transcriptomic data would enable the deployment of this important modality in multi-center translational research studies and clinical trials in which many sites do not have the expertise or resources to produce data from fresh samples. It would also serve to reduce technical variability in larger projects. Objective To test a reliable cryopreservation protocol adapted for CSF cells, facilitating the characterization of these rare, fragile cells in moderate to large scale studies. Design Diagnostic lumbar punctures were performed on twenty-one patients at two independent sites. Excess CSF was collected and cells were isolated. Each cell sample was split into two fractions for single cell analysis using one of two possible chemistries: 3’ sc-RNA-Sequencing or 5’sc-RNA-Sequencing. One cell fraction was processed fresh while the second sample was cryopreserved and profiled at a later time after thawing. Setting The research protocol was deployed at two academic medical centers taking care of multiple sclerosis and other neurological conditions. Participants 21 subjects (age 24 – 72) were recruited from individuals undergoing a diagnostic lumbar puncture for suspected neuroinflammatory disease or another neurologic illness; they donated excess CSF. Findings Our comparison of fresh and cryopreserved data from the same individuals demonstrates highly efficient recovery of all known CSF cell types. The proportion of all cell types was similar between the fresh and the cryopreserved cells processed, and RNA expression was not significantly different. Results were comparable at both performance sites, and with different single cell sequencing chemistries. Cryopreservation also did not affect recovery of T and B cell clonotype diversity. Conclusion and relevance Our cryopreservation protocol for CSF-cells provides an important alternative to fresh processing of fragile CSF cells: cryopreservation enables the involvement of sites with limited capacity for experimental manipulation and reduces technical variation by enabling batch processing and pooling of samples. Key points Question How efficient is CSF cryopreservation for single-cell transcriptome analysis and can it be implemented in large multi-center translational and clinical trial settings? Findings We compared single-cell transcriptomes of paired fresh and cryopreserved CSF from 21 patients at two independent sites. We validate the efficacy of a simple and cost effective CSF cryopreservation method that preserves the composition and the transcriptomes of CSF cells stored for weeks-months. The protocol is deployed in a large multicenter Phase 4 MS clinical trial. Meaning A validated CSF cryopreservation method that would significantly advance basic science and biomarker research in neurological disorders by implementing single-cell transcriptome analyses in multi-center research and clinical trials.