INTRODUCTION Our understanding of the pathophysiology of psychiatric disorders, including autism spectrum disorder (ASD), schizophrenia (SCZ), and bipolar disorder (BD), lags behind other fields of medicine. The diagnosis and study of these disorders currently depend on behavioral, symptomatic characterization. Defining genetic contributions to disease risk allows for biological, mechanistic understanding but is challenged by genetic complexity, polygenicity, and the lack of a cohesive neurobiological model to interpret findings. RATIONALE The transcriptome represents a quantitative phenotype that provides biological context for understanding the molecular pathways disrupted in major psychiatric disorders. RNA sequencing (RNA-seq) in a large cohort of cases and controls can advance our knowledge of the biology disrupted in each disorder and provide a foundational resource for integration with genomic and genetic data. RESULTS Analysis across multiple levels of transcriptomic organization—gene expression, local splicing, transcript isoform expression, and coexpression networks for both protein-coding and noncoding genes—provides an in-depth view of ASD, SCZ, and BD molecular pathology. More than 25% of the transcriptome exhibits differential splicing or expression in at least one disorder, including hundreds of noncoding RNAs (ncRNAs), most of which have unexplored functions but collectively exhibit patterns of selective constraint. Changes at the isoform level, as opposed to the gene level, show the largest effect sizes and genetic enrichment and the greatest disease specificity. We identified coexpression modules associated with each disorder, many with enrichment for cell type–specific markers, and several modules significantly dysregulated across all three disorders. These enabled parsing of down-regulated neuronal and synaptic components into a variety of cell type– and disease-specific signals, including multiple excitatory neuron and distinct interneuron modules with differential patterns of disease association, as well as common and rare genetic risk variant enrichment. The glial-immune signal demonstrates shared disruption of the blood-brain barrier and up-regulation of NFkB-associated genes, as well as disease-specific alterations in microglial-, astrocyte-, and interferon-response modules. A coexpression module associated with psychiatric medication exposure in SCZ and BD was enriched for activity-dependent immediate early gene pathways. To identify causal drivers, we integrated polygenic risk scores and performed a transcriptome-wide association study and summary-data–based Mendelian randomization. Candidate risk genes—5 in ASD, 11 in BD, and 64 in SCZ, including shared genes between SCZ and BD—are supported by multiple methods. These analyses begin to define a mechanistic basis for the composite activity of genetic risk variants. CONCLUSION Integration of RNA-seq and genetic data from ASD, SCZ, and BD provides a quantitative, genome-wide resource for mechanistic insight and therapeutic development at Resource.PsychENCODE.org. These data inform the molecular pathways and cell types involved, emphasizing the importance of splicing and isoform-level gene regulatory mechanisms in defining cell type and disease specificity, and, when integrated with genome-wide association studies, permit the discovery of candidate risk genes. The PsychENCODE cross-disorder transcriptomic resource. Human brain RNA-seq was integrated with genotypes across individuals with ASD, SCZ, BD, and controls, identifying pervasive dysregulation, including protein-coding, noncoding, splicing, and isoform-level changes. Systems-level and integrative genomic analyses prioritize previously unknown neurogenetic mechanisms and provide insight into the molecular neuropathology of these disorders.

Genes overlap across psychiatric disease Many genome-wide studies have examined genes associated with a range of neuropsychiatric disorders. However, the degree to which the genetic underpinnings of these diseases differ or overlap is unknown. Gandal et al. performed meta-analyses of transcriptomic studies covering five major psychiatric disorders and compared cases and controls to identify coexpressed gene modules. From this, they found that some psychiatric disorders share global gene expression patterns. This overlap in polygenic traits in neuropsychiatric disorders may allow for better diagnosis and treatment. Science , this issue p. 693

Integration of sensory and molecular inputs from the environment shapes animal behaviour. A major site of exposure to environmental molecules is the gastrointestinal tract, in which dietary components are chemically transformed by the microbiota1 and gut-derived metabolites are disseminated to all organs, including the brain2. In mice, the gut microbiota impacts behaviour3, modulates neurotransmitter production in the gut and brain4,5, and influences brain development and myelination patterns6,7. The mechanisms that mediate the gut–brain interactions remain poorly defined, although they broadly involve humoral or neuronal connections. We previously reported that the levels of the microbial metabolite 4-ethylphenyl sulfate (4EPS) were increased in a mouse model of atypical neurodevelopment8. Here we identified biosynthetic genes from the gut microbiome that mediate the conversion of dietary tyrosine to 4-ethylphenol (4EP), and bioengineered gut bacteria to selectively produce 4EPS in mice. 4EPS entered the brain and was associated with changes in region-specific activity and functional connectivity. Gene expression signatures revealed altered oligodendrocyte function in the brain, and 4EPS impaired oligodendrocyte maturation in mice and decreased oligodendrocyte–neuron interactions in ex vivo brain cultures. Mice colonized with 4EP-producing bacteria exhibited reduced myelination of neuronal axons. Altered myelination dynamics in the brain have been associated with behavioural outcomes7,9–14. Accordingly, we observed that mice exposed to 4EPS displayed anxiety-like behaviours, and pharmacological treatments that promote oligodendrocyte differentiation prevented the behavioural effects of 4EPS. These findings reveal that a gut-derived molecule influences complex behaviours in mice through effects on oligodendrocyte function and myelin patterning in the brain. The gut-derived molecule 4-ethylphenol influences complex behaviours in mice through effects on oligodendrocyte function and myelin patterning in the brain.

Abstract Neuropsychiatric disorders classically lack defining brain pathologies, but recent work has demonstrated dysregulation at the molecular level, characterized by transcriptomic and epigenetic alterations 1–3 . In autism spectrum disorder (ASD), this molecular pathology involves the upregulation of microglial, astrocyte and neural–immune genes, the downregulation of synaptic genes, and attenuation of gene-expression gradients in cortex 1,2,4–6 . However, whether these changes are limited to cortical association regions or are more widespread remains unknown. To address this issue, we performed RNA-sequencing analysis of 725 brain samples spanning 11 cortical areas from 112 post-mortem samples from individuals with ASD and neurotypical controls. We find widespread transcriptomic changes across the cortex in ASD, exhibiting an anterior-to-posterior gradient, with the greatest differences in primary visual cortex, coincident with an attenuation of the typical transcriptomic differences between cortical regions. Single-nucleus RNA-sequencing and methylation profiling demonstrate that this robust molecular signature reflects changes in cell-type-specific gene expression, particularly affecting excitatory neurons and glia. Both rare and common ASD-associated genetic variation converge within a downregulated co-expression module involving synaptic signalling, and common variation alone is enriched within a module of upregulated protein chaperone genes. These results highlight widespread molecular changes across the cerebral cortex in ASD, extending beyond association cortex to broadly involve primary sensory regions.

Abstract Classically, psychiatric disorders have been considered to lack defining pathology, but recent work has demonstrated consistent disruption at the molecular level, characterized by transcriptomic and epigenetic alterations. 1–3 In ASD, upregulation of microglial, astrocyte, and immune signaling genes, downregulation of specific synaptic genes, and attenuation of regional gene expression differences are observed. 1,2,4–6 However, whether these changes are limited to the cortical association areas profiled is unknown. Here, we perform RNA-sequencing (RNA-seq) on 725 brain samples spanning 11 distinct cortical areas in 112 ASD cases and neurotypical controls. We identify substantially more genes and isoforms that differentiate ASD from controls than previously observed. These alterations are pervasive and cortex-wide, but vary in magnitude across regions, roughly showing an anterior to posterior gradient, with the strongest signal in visual cortex, followed by parietal cortex and the temporal lobe. We find a notable enrichment of ASD genetic risk variants among cortex-wide downregulated synaptic plasticity genes and upregulated protein folding gene isoforms. Finally, using snRNA-seq, we determine that regional variation in the magnitude of transcriptomic dysregulation reflects changes in cellular proportion and cell-type-specific gene expression, particularly impacting L3/4 excitatory neurons. These results highlight widespread, genetically-driven neuronal dysfunction as a major component of ASD pathology in the cerebral cortex, extending beyond association cortices to involve primary sensory regions.

Abstract The most significant common variant association for schizophrenia (SCZ) reflects increased expression of the complement component 4A ( C4A ). Yet, it remains unclear how C4A interacts with other SCZ risk genes and whether the complement system is more broadly implicated in SCZ pathogenesis. Here, we integrate several existing, large-scale genetic and transcriptomic datasets to interrogate the functional role of the complement system and C4A in the human brain. Surprisingly, we find no significant genetic enrichment among known complement system genes for SCZ. Conversely, brain co-expression network analyses using C4A as a seed gene revealed that genes down-regulated when C4A expression increased exhibit strong and specific genetic enrichment for SCZ risk. This convergent genomic signal reflected neuronal, synaptic processes and was sexually dimorphic and most prominent in frontal cortical brain regions. Overall, these results indicate that synaptic pathways—rather than the complement system—are the driving force conferring SCZ risk.

Abstract Astrocytes are dynamic cells with important roles in brain function and neurological disease. There are notable species differences between human astrocytes and commonly used animal models. However, changes of the molecular attributes of human astrocytes across disease states, sex, and age are largely unknown, which is a barrier in understanding human astrocyte biology and its potential involvement in neurological diseases. To better understand the properties of human astrocytes, we acutely purified astrocytes from the cerebral cortices of over 40 humans across various ages, sexes, and disease states. We performed RNA sequencing to generate transcriptomic profiles of these astrocytes and identified genes associated with these biological variables. Here, we identified a robust transcriptomic signature of human astrocytes in the tumor-surrounding microenvironment, including upregulation of proliferation processes, along with downregulation of genes involved in ionic homeostasis and synaptic function, suggesting involvement of peri-tumor astrocytes in tumor-associated neural circuit dysfunction. In aging, we also found downregulation of synaptic regulators and upregulation of markers of astrocyte reactivity, while in maturation we identified changes in ionic transport with implications for calcium signaling. In addition, we identified some of the first transcriptomic evidence of sexual dimorphism in human cortical astrocytes, which has implications for observed sex differences across many neurological disorders. Overall, genes involved in synaptic function exhibited dynamic changes in multiple conditions. This data provides powerful new insights into human astrocyte biology in several biologically relevant states, that will aid in generating novel testable hypotheses about homeostatic and reactive astrocytes in humans. Significance Statement Astrocytes are an abundant class of cells playing integral roles in the central nervous system. Astrocyte dysfunction is implicated in a variety of human neurological diseases. Yet our knowledge of astrocytes is largely based on mouse studies. Direct knowledge of human astrocyte biology remains limited. Here, we present transcriptomic profiles of human cortical astrocytes, and we identified molecular differences associated with age, sex, and disease state. We found changes suggesting involvement of peritumor astrocytes in tumor-associated neural circuit dysfunction, aging-associated decline in astrocyte-synapse interactions, ionic transport changes with brain maturation, and some of the first evidence of sexual dimorphism in human astrocytes. These data provide necessary insight into human astrocyte biology that will improve our understanding of human disease.

Autism spectrum disorder (ASD) is a phenotypically and genetically heterogeneous neurodevelopmental disorder. Despite this heterogeneity, previous studies have shown patterns of molecular convergence in post-mortem brain tissue from autistic subjects. Here, we integrate genome-wide measures of mRNA expression, miRNA expression, DNA methylation, and histone acetylation from ASD and control brains to identify a convergent molecular subtype of ASD with shared dysregulation across both the epigenome and transcriptome. Focusing on this convergent subtype, we substantially expand the repertoire of differentially expressed genes in ASD and identify a component of upregulated immune processes that are associated with hypomethylation. We utilize eQTL and chromosome conformation datasets to link differentially acetylated regions with their cognate genes and identify an enrichment of ASD genetic risk variants in hyperacetylated noncoding regulatory regions linked to neuronal genes. These findings help elucidate how diverse genetic risk factors converge onto specific molecular processes in ASD.

Recent large-scale studies have identified multiple genetic risk factors for mental illness and indicate a complex, polygenic, and pleiotropic genetic architecture for neuropsychiatric disease. However, little is known about how genetic variants yield brain dysfunction or pathology. We use transcriptomic profiling as an unbiased, quantitative readout of molecular phenotypes across 5 major psychiatric disorders, including autism (ASD), schizophrenia (SCZ), bipolar disorder (BD), depression (MDD), and alcoholism (AAD), compared with carefully matched controls. We identify a clear pattern of shared and distinct gene-expression perturbations across these conditions, identifying neuronal gene co-expression modules downregulated across ASD, SCZ, and BD, and astrocyte related modules most prominently upregulated in ASD and SCZ. Remarkably, the degree of sharing of transcriptional dysregulation was strongly related to polygenic (SNP-based) overlap across disorders, indicating a significant genetic component. These findings provide a systems-level view of the neurobiological architecture of major neuropsychiatric illness and demonstrate pathways of molecular convergence and specificity.

Telencephalic organoids generated from human pluripotent stem cells (hPSCs) are emerging as an effective system to study the distinct features of the developing human brain and the underlying causes of many neurological disorders. While progress in organoid technology has been steadily advancing, many challenges remain including rampant batch-to-batch and cell line-to-cell line variability and irreproducibility. Here, we demonstrate that a major contributor to successful cortical organoid production is the manner in which hPSCs are maintained prior to differentiation. Optimal results were achieved using fibroblast-feeder-supported hPSCs compared to feeder-independent cells, related to differences in their transcriptomic states. Feeder-supported hPSCs display elevated activation of diverse TGFβ superfamily signaling pathways and increased expression of genes associated with naïve pluripotency. We further identify combinations of TGFβ-related growth factors that are necessary and together sufficient to impart broad telencephalic organoid competency to feeder-free hPSCs and enable reproducible formation of brain structures suitable for disease modeling.