Due to alternative splicing, human protein-coding genes average over eight RNA isoforms, resulting in nearly four distinct protein coding sequences per gene. Long-read RNAseq (IsoSeq) enables more accurate quantification of isoforms, shedding light on their specific roles. To assess the medical relevance of measuring RNA isoform expression, we sequenced 12 aged human frontal cortices (6 Alzheimer's disease cases and 6 controls; 50% female) using one Oxford Nanopore PromethION flow cell per sample. Our study uncovered 53 new high-confidence RNA isoforms in medically relevant genes, including several where the new isoform was one of the most highly expressed for that gene. Specific examples include WDR4 (61%; microcephaly), MYL3 (44%; hypertrophic cardiomyopathy), and MTHFS (25%; major depression, schizophrenia, bipolar disorder). Other notable genes with new high-confidence isoforms include CPLX2 (10%; schizophrenia, epilepsy) and MAOB (9%; targeted for Parkinson's disease treatment). We identified 1,917 medically relevant genes expressing multiple isoforms in human frontal cortex, where 1,018 had multiple isoforms with different protein coding sequences, demonstrating the need to better understand how individual isoforms from a single gene body are involved in human health and disease, if at all. Exactly 98 of the 1,917 genes are implicated in brain-related diseases, including Alzheimer's disease genes such as APP (Aβ precursor protein; five), MAPT (tau protein; four), and BIN1 (eight). As proof of concept, we also found 99 differentially expressed RNA isoforms between Alzheimer's cases and controls, despite the genes themselves not exhibiting differential expression. Our findings highlight the significant knowledge gaps in RNA isoform diversity and their medical relevance. Deep long-read RNA sequencing will be necessary going forward to fully comprehend the medical relevance of individual isoforms for a "single" gene.

Abstract Genetic studies are rapidly identifying non-protein-coding human disease-associated loci. Understanding the regulatory mechanisms underlying these loci remains a challenge because the causal variants and the tissues in which they act are often unclear. Massively parallel reporter assays (MPRAs) have the potential to link differences in genome sequence, including genetic variants, to tissue-specific regulatory function. Although MPRA and similar technologies have been widely adopted in cell culture, there have been several barriers to widespread use in animals. We overcome these challenges with a new whole-animal MPRA (WhAMPRA), where systemic intravenous AAV effectively transduces the plasmid MPRA library to mouse tissues. Our WhAMPRA approach revealed models of tissue-specific regulation that generally match machine learning model predictions. In addition, we measured the regulatory effects of disrupting MEF2C transcription factor binding sites and impacts of late onset Alzheimer’s disease-associated genetic variations. Overall, our WhAMPRA technology simultaneously determines the transcriptional functions of hundreds of enhancers in vivo across multiple tissues.

Abstract Recent discoveries of extreme cellular diversity in the brain warrant rapid development of technologies to access specific cell populations, enabling characterization of their roles in behavior and in disease states. Available approaches for engineering targeted technologies for new neuron subtypes are low-yield, involving intensive transgenic strain or virus screening. Here, we introduce SNAIL (Specific Nuclear-Anchored Independent Labeling), a new virus-based strategy for cell labeling and nuclear isolation from heterogeneous tissue. SNAIL works by leveraging machine learning and other computational approaches to identify DNA sequence features that confer cell type-specific gene activation and using them to make a probe that drives an affinity purification-compatible reporter gene. As a proof of concept, we designed and validated two novel SNAIL probes that target parvalbumin-expressing (PV) neurons. Furthermore, we show that nuclear isolation using SNAIL in wild type mice is sufficient to capture characteristic open chromatin features of PV neurons in the cortex, striatum, and external globus pallidus. Expansion of this technology has broad applications in cell type-specific observation, manipulation, and therapeutics across species and disease models.