Unlike SARS-CoV-1 and MERS-CoV, infection with SARS-CoV-2, the viral pathogen responsible for COVID-19, is often associated with neurologic symptoms that range from mild to severe, yet increasing evidence argues the virus does not exhibit extensive neuroinvasive properties. We demonstrate SARS-CoV-2 can infect and replicate in human iPSC-derived neurons and that infection shows limited anti-viral and inflammatory responses but increased activation of EIF2 signaling following infection as determined by RNA sequencing. Intranasal infection of K18 human ACE2 transgenic mice (K18-hACE2) with SARS-CoV-2 resulted in lung pathology associated with viral replication and immune cell infiltration. In addition, ∼50% of infected mice exhibited CNS infection characterized by wide-spread viral replication in neurons accompanied by increased expression of chemokine ( Cxcl9, Cxcl10, Ccl2, Ccl5 and Ccl19 ) and cytokine ( Ifn-λ and Tnf-α ) transcripts associated with microgliosis and a neuroinflammatory response consisting primarily of monocytes/macrophages. Microglia depletion via administration of colony-stimulating factor 1 receptor inhibitor, PLX5622, in SARS-CoV-2 infected mice did not affect survival or viral replication but did result in dampened expression of proinflammatory cytokine/chemokine transcripts and a reduction in monocyte/macrophage infiltration. These results argue that microglia are dispensable in terms of controlling SARS-CoV-2 replication in in the K18-hACE2 model but do contribute to an inflammatory response through expression of pro-inflammatory genes. Collectively, these findings contribute to previous work demonstrating the ability of SARS-CoV-2 to infect neurons as well as emphasizing the potential use of the K18-hACE2 model to study immunological and neuropathological aspects related to SARS-CoV-2-induced neurologic disease.Understanding the immunological mechanisms contributing to both host defense and disease following viral infection of the CNS is of critical importance given the increasing number of viruses that are capable of infecting and replicating within the nervous system. With this in mind, the present study was undertaken to evaluate the role of microglia in aiding in host defense following experimental infection of the central nervous system (CNS) of K18-hACE2 with SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19. Neurologic symptoms that range in severity are common in COVID-19 patients and understanding immune responses that contribute to restricting neurologic disease can provide important insight into better understanding consequences associated with SARS-CoV-2 infection of the CNS.

Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by a CAG repeat expansion in the first exon of the HTT gene encoding huntingtin. Prior reports have established a correlation between CAG expanded HTT and altered gene expression. However, the mechanisms leading to disruption of RNA processing in HD remain unclear. Here, our analysis of the reported HTT protein interactome identifies interactions with known RNA-binding proteins (RBPs). Total, long-read sequencing and targeted RASL-seq of RNAs from cortex and striatum of the HD mouse model R6/2 reveals increased exon skipping which is confirmed in Q150 and Q175 knock-in mice and in HD human brain. We identify the RBP TDP-43 and the N6-methyladenosine (m6A) writer protein methyltransferase 3 (METTL3) to be upstream regulators of exon skipping in HD. Along with this novel mechanistic insight, we observe decreased nuclear localization of TDP-43 and cytoplasmic accumulation of phosphorylated TDP-43 in HD mice and human brain. In addition, TDP-43 co-localizes with HTT in human HD brain forming novel nuclear aggregate-like bodies distinct from mutant HTT inclusions or previously observed TDP-43 pathologies. Binding of TDP-43 onto RNAs encoding HD-associated differentially expressed and aberrantly spliced genes is decreased. Finally, m6A RNA modification is reduced on RNAs abnormally expressed in striatum from HD R6/2 mouse brain, including at clustered sites adjacent to TDP-43 binding sites. Our evidence supports TDP-43 loss of function coupled with altered m6A modification as a novel mechanism underlying alternative splicing/unannotated exon usage in HD and highlights the critical nature of TDP-43 function across multiple neurodegenerative diseases.

The study of neurodegenerative diseases, particularly tauopathies like Pick's disease (PiD) and Alzheimer's disease (AD), offers insights into the underlying regulatory mechanisms. By investigating epigenomic variations in these conditions, we identified critical regulatory changes driving disease progression, revealing potential therapeutic targets. Our comparative analyses uncovered disease-enriched non-coding regions and genome-wide transcription factor (TF) binding differences, linking them to target genes. Notably, we identified a distal human-gained enhancer (HGE) associated with E3 ubiquitin ligase (UBE3A), highlighting disease-specific regulatory alterations. Additionally, fine-mapping of AD risk genes uncovered loci enriched in microglial enhancers and accessible in other cell types. Shared and distinct TF binding patterns were observed in neurons and glial cells across PiD and AD. We validated our findings using CRISPR to excise a predicted enhancer region in UBE3A and developed an interactive database (http://swaruplab.bio.uci.edu/scROAD) to visualize predicted single-cell TF occupancy and regulatory networks.

Summary Neurodegenerative diseases present a challenge for systems biology, due to the lack of reliable animal models and the difficulties in obtaining samples from patients at early stages of disease, when interventions might be most effective. Studying induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons could overcome these challenges and dramatically accelerate and broaden therapeutic strategies. Here we undertook a network-based multi-omic characterization of iPSC-derived motor neurons from ALS patients carrying genetically dominant hexanucleotide expansions in C9orf72 to gain a deeper understanding of the relationship between DNA, RNA, epigenetics and protein in the same pool of tissue. ALS motor neurons showed the expected C9orf72 -related alterations to specific nucleoporins and production of dipeptide repeats. RNA-seq, ATAC-seq and data-independent acquisition mass-spectrometry (DIA-MS) proteomics were then performed on the same motor neuron cultures. Using integrative computational methods that combined all of the omics, we discovered a number of novel dysregulated pathways including biological adhesion and extracellular matrix organization and disruption in other expected pathways such as RNA splicing and nuclear transport. We tested the relevance of these pathways in vivo in a C9orf72 Drosophila model, analyzing the data to determine which pathways were causing disease phenotypes and which were compensatory. We also confirmed that some pathways are altered in late-stage neurodegeneration by analyzing human postmortem C9 cervical spine data. To validate that these key pathways were integral to the C9 signature, we prepared a separate set of C9orf72 and control motor neuron cultures using a different differentiation protocol and applied the same methods. As expected, there were major overall differences between the differentiation protocols, especially at the level of in individual omics data. However, a number of the core dysregulated pathways remained significant using the integrated multiomic analysis. This new method of analyzing patient specific neural cultures allows the generation of disease-related hypotheses with a small number of patient lines which can be tested in larger cohorts of patients.

Deep mRNA sequencing (mRNAseq) is the state-of-the-art for whole transcriptome measurements. A key step is creating a library of cDNA sequencing fragments from RNA. This is generally done by random priming, creating multiple sequencing fragments along the length of each transcript. A 3' end-focused library approach cannot detect differential splicing, but has potentially higher throughput at lower cost (~10-fold lower), along with the ability to improve quantification by using transcript molecule counting with unique molecular identifiers (UMI) to correct for PCR bias. Here, we compare implementation of such a 3'-digital gene expression (3'-DGE) approach with "conventional" random primed mRNAseq, which has not yet been done. We find that while conventional mRNAseq detects ~15% more genes, the resulting lists of differentially expressed genes and therefore biological conclusions and gene signatures are highly concordant between the two techniques. We also find good quantitative agreement on the level of individual genes between the two techniques in terms of both read counts and fold change between two conditions. We conclude that for high-throughput applications, the potential cost savings associated with the 3'-DGE approach are a very reasonable tradeoff for modest reduction in sensitivity and inability to observe alternative splicing, and should enable much larger scale studies focused on not only differential expression analysis, but also quantitative transcriptome profiling. The computational scripts and programs, along with experimental standard operating procedures used in our pipeline presented here, are freely available on our website (www.dtoxs.org).