Abstract Recent advances in the genomics of glioblastoma (GBM) led to the introduction of molecular neuropathology but failed to translate into treatment improvement. This is largely attributed to the genetic and phenotypic heterogeneity of GBM, which are considered the major obstacle to GBM therapy. Here, we use advanced human GBM organoid (LEGO: L aboratory E ngineered G lioblastoma O rganoid) and provide an unprecedented comprehensive characterization of LEGO models using single-cell transcriptome, DNA methylome, metabolome, lipidome, proteome, and phospho-proteome analysis. We discovered that genetic heterogeneity dictates functional heterogeneity across molecular layers and demonstrates that NF1 mutation drives mesenchymal signature. Most importantly, we found that glycerol lipid reprogramming is a hallmark of GBM, and several targets and drugs were discovered along this line. We also provide a genotype-based drug reference map using LEGO-based drug screen. This study provides novel human GBM models and a research path toward effective GBM therapy.

Sequence divergence of cis- regulatory elements drives species-specific traits, but how this manifests in the evolution of the neocortex at the molecular and cellular level remains to be elucidated. We investigated the gene regulatory programs in the primary motor cortex of human, macaque, marmoset, and mouse with single-cell multiomics assays, generating gene expression, chromatin accessibility, DNA methylome, and chromosomal conformation profiles from a total of over 180,000 cells. For each modality, we determined species-specific, divergent, and conserved gene expression and epigenetic features at multiple levels. We find that cell type-specific gene expression evolves more rapidly than broadly expressed genes and that epigenetic status at distal candidate cis -regulatory elements (cCREs) evolves faster than promoters. Strikingly, transposable elements (TEs) contribute to nearly 80% of the human-specific cCREs in cortical cells. Through machine learning, we develop sequence-based predictors of cCREs in different species and demonstrate that the genomic regulatory syntax is highly preserved from rodents to primates. Lastly, we show that epigenetic conservation combined with sequence similarity helps uncover functional cis -regulatory elements and enhances our ability to interpret genetic variants contributing to neurological disease and traits.