Abstract Cognitive decline is a significant health concern in our aging society. Here, we used the model organism C. elegans to investigate the impact of the IIS/FOXO pathway on age-related cognitive decline. The daf-2 Insulin/IGF-1 receptor mutant exhibits a significant extension of learning and memory span with age compared to wild-type worms, an effect that is dependent on the DAF-16 transcription factor. To identify possible mechanisms by which aging daf-2 mutants maintain learning and memory with age while wild-type worms lose neuronal function, we carried out neuron-specific transcriptomic analysis in aged animals. We observed downregulation of neuronal genes and upregulation of transcriptional regulation genes in aging wild-type neurons. By contrast, IIS/FOXO pathway mutants exhibit distinct neuronal transcriptomic alterations in response to cognitive aging, including upregulation of stress response genes and downregulation of specific insulin signaling genes. We tested the roles of significantly transcriptionally-changed genes in regulating cognitive functions, identifying novel regulators of learning and memory. In addition to other mechanistic insights, comparison of the aged vs young daf-2 neuronal transcriptome revealed that a new set of potentially neuroprotective genes is upregulated; instead of simply mimicking a young state, daf-2 may enhance neuronal resilience to accumulation of harm and take a more active approach to combat aging. These findings suggest a potential mechanism for regulating cognitive function with age and offer insights into novel therapeutic targets for age-related cognitive decline.

Although mutations in dozens of genes have been implicated in familial forms of amyotrophic lateral sclerosis (fALS) and frontotemporal degeneration (fFTD), most cases of these conditions are sporadic (sALS and sFTD), with no family history, and their etiology remains obscure. We tested the hypothesis that somatic mosaic mutations, present in some but not all cells, might contribute in these cases, by performing ultra-deep, targeted sequencing of 88 genes associated with neurodegenerative diseases in postmortem brain and spinal cord samples from 404 individuals with sALS or sFTD and 144 controls. Known pathogenic germline mutations were found in 20.6% of ALS, and 26.5% of FTD cases. Predicted pathogenic somatic mutations in ALS/FTD genes were observed in 2.7% of sALS and sFTD cases that did not carry known pathogenic or novel germline mutations. Somatic mutations showed low variant allele fraction (typically <2%) and were often restricted to the region of initial discovery, preventing detection through genetic screening in peripheral tissues. Damaging somatic mutations were preferentially enriched in primary motor cortex of sALS and prefrontal cortex of sFTD, mirroring regions most severely affected in each disease. Somatic mutation analysis of bulk RNA-seq data from brain and spinal cord from an additional 143 sALS cases and 23 controls confirmed an overall enrichment of somatic mutations in sALS. Two adult sALS cases were identified bearing pathogenic somatic mutations in DYNC1H1 and LMNA, two genes associated with pediatric motor neuron degeneration. Our study suggests that somatic mutations in fALS/fFTD genes, and in genes associated with more severe diseases in the germline state, contribute to sALS and sFTD, and that mosaic mutations in a small fraction of cells in focal regions of the nervous system can ultimately result in widespread degeneration.

Abstract Single-cell approaches have become an increasingly popular way of understanding the genetic factors behind disease. Isolation of DNA and RNA from human tissues is necessary to analyze multi-omic data sets, providing information on the single-cell genome, transcriptome, and epigenome. Here, we isolated high-quality single-nuclei from postmortem human heart tissues for DNA and RNA analysis. Postmortem human tissues were obtained from 106 individuals, 33 with a history of myocardial disease, diabetes, or smoking, and 73 controls without heart disease. We demonstrated that the Qiagen EZ1 instrument and kit consistently isolated genomic DNA of high yield, which can be used for checking DNA quality before conducting single-cell experiments. Here, we provide a method for single-nuclei isolation from cardiac tissue, otherwise known as the SoNIC method, which allows for the isolation of single cardiomyocyte nuclei from postmortem tissue by nuclear ploidy status. We also provide a detailed quality control measure for single-nuclei whole genome amplification and a pre-amplification method for confirming genomic integrity.