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 Autism Spectrum Disorder (ASD) is a highly heritable condition with diverse clinical presentations. Approximately 20% of ASD’s genetic susceptibility is imparted by de novo mutations of major effect, most of which cause haploinsufficiency. We mapped enhancers of two high confidence autism genes – CHD8 and SCN2A and used CRISPR-based gene activation (CRISPR-A) in hPSC-derived excitatory neurons and cerebral forebrain organoids to correct the effects of haploinsufficiency, taking advantage of the presence of a wildtype allele of each gene and endogenous gene regulation. We found that CRISPR-A induced a sustained increase in CHD8 and SCN2A expression in treated neurons and organoids, with rescue of gene expression levels and mutation-associated phenotypes, including gene expression and physiology. These data support gene activation via targeting enhancers of haploinsufficient genes, as a therapeutic intervention in ASD and other neurodevelopmental disorders.

The recent classification of colon cancer into molecular subtypes revealed that patients with the poorest prognosis harbor tumors with the lowest levels of Wnt signaling. This is contrary to the long-standing understanding that overactive Wnt signaling promotes tumor progression from early initiation stages through to the later stages including invasion and metastasis. Here, we lower the levels of Wnt signaling in colon cancer via interference with two different steps in the pathway that lie upstream or downstream of the effector protein ß-catenin. We find that these Wnt-reduced cancer cells exhibit a more aggressive disease phenotype, including increased mobility in vitro and localized invasion in an orthotopic mouse model. RNA sequencing reveals that interference with Wnt signaling leads to an upregulation of gene programs that favor cell migration and invasion. We identify a set of upregulated genes common among the Wnt perturbations and find that elevated expression of these genes is strongly predictive of poor patient outcomes in early-invasive colon cancer. These genes may have clinical applications as patient biomarkers or new drug targets to be used in concert with existing therapies.One Sentence Summary Low Wnt Signaling Leads to Invasive Tumor Phenotypes in Colorectal Cancer.

Around 95% of anti-cancer drugs that show promise during preclinical study fail to gain FDA-approval for clinical use. This failure of the preclinical pipeline highlights the need for improved, physiologically-relevant in vitro models that can better serve as reliable drug-screening tools. The vascularized micro-tumor (VMT) is a novel three-dimensional model system that recapitulates the complex human tumor microenvironment, including perfused vasculature, within a transparent microfluidic device, allowing real-time study of drug responses and tumor-stromal interactions. Here we have validated the VMT platform for the study of colorectal cancer (CRC), the second leading cause of cancer-related deaths, by showing that gene expression, tumor heterogeneity, and treatment response in the VMT more closely model CRC tumor clinicopathology than current standard drug screening modalities, including 2-dimensional (2D) monolayer culture and 3-dimensional (3D) spheroids.