Abstract The lack of understanding of the cellular and molecular basis of clinical and genetic heterogeneity in progressive multiple sclerosis (MS) has hindered the search for new effective therapies. Here, to address this gap, we analysed 632,000 single nuclei RNAseq profiles of 156 brain tissue samples, comprising white matter (WM) lesions, normal appearing WM, grey matter (GM) lesions and normal appearing GM from 54 MS patients and 26 controls. We observed the expected changes in overall neuronal and glial numbers previously described within the classical lesion subtypes. We found highly cell type-specific gene expression changes in MS tissue, with distinct differences between GM and WM areas, confirming different pathologies. However, surprisingly, we did not observe distinct gene expression signatures for the classical different WM lesion types, rather a continuum of change. This indicates that classical lesion characterization better reflects changes in cell abundance than changes in cell type gene expression, and indicates a global disease effect. Furthermore, the major biological determinants of variability in gene expression in MS WM samples relate to individual patient effects, rather than to lesion types or other metadata. We identify four subgroups of MS patients with distinct WM glial gene expression signatures and patterns of oligodendrocyte stress and/or maturation, suggestive of engagement of different pathological processes, with an additional more variable regenerative astrocyte signature. The discovery of these patterns, which were also found in an independent MS patient cohort, provides a framework to use molecular biomarkers to stratify patients for optimal therapeutic approaches for progressive MS, significantly advances our mechanistic understanding of progressive MS, and highlights the need for precision-medicine approaches to address heterogeneity among MS patients.

ABSTRACT The myelinated white matter tracts of the central nervous system (CNS) are essential for fast transmission of electrical impulses and are commonly affected in neurodegenerative diseases. However, these often uniquely human diseases differentially affect white matter regions, at various ages and between males and females, and we hypothesised that this is secondary to physiological variation in white matter glia with region, age and sex. Using single nucleus RNA sequencing of healthy human post-mortem samples, we find marked glial heterogeneity with tissue region (primary motor cortex, cerebellum, cervical spinal cord), with tissue-specific cell populations of oligodendrocyte precursor cells and astrocytes, and a spinal cord-enriched oligodendrocyte type that appears human-specific. Spinal cord microglia but not astrocytes show a more activated phenotype compared to brain. These regional effects, with additional differentially expressed genes with age and sex in all glial lineages, help explain pathological patterns of disease – essential knowledge for therapeutic strategies.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a severely debilitating, autosomal dominant neurodegenerative disease with a fatal outcome. There is accumulating evidence of a prominent role of glia in the pathology of HD, and we investigated this by conducting single nuclear RNA sequencing (snRNAseq) of human post mortem brain in four differentially affected regions; caudate nucleus, frontal cortex, hippocampus and cerebellum. Across 127,205 nuclei from people with HD, and age/sex matched controls, we found heterogeneity of glia which is altered in HD. We describe prominent changes in the abundance of certain subtypes of astrocytes, microglia, oligodendrocyte precursor cells and oligodendrocytes between HD and control samples, and these differences are widespread across brain regions. Furthermore, we highlight two possible mechanisms that characterise the glial contribution to disease pathology. Firstly, we show that upregulation of molecular chaperones represents a cross-glial signature in HD, which likely reflects an adaptive response to the accumulation of mutant Huntingtin (mHTT). Secondly, we show an oligodendrocyte-specific upregulation of the calmodulin-dependent 3’,5’-cyclic nucleotide phosphodiesterase 1A ( PDE1A ) in HD brain compared to controls, which may cause dysfunction of key cellular functions due to the downregulation of the important second messengers cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). Our results support the hypothesis that glia have an important role in the pathology of HD, and show that all types of glia are affected in the disease. As glia are more tractable to treat than neurons, our findings may be of therapeutic relevance.

In Alzheimer's disease (AD), amyloid-β (Aβ) is thought to be of neuronal origin. However, in single-cell RNAseq datasets from mouse and human, we found transcripts of amyloid precursor protein (APP) and the amyloidogenic-processing machinery equally abundant in oligodendrocytes (OLs). By cell-type-specific deletion of Bace1 in a humanized knock-in AD model, APPNLGF, we demonstrate that almost a third of cortical Aβ deposited in plaques is derived from OLs. However, excitatory projection neurons must provide a threshold level of Aβ production for plaque deposition to occur and for oligodendroglial Aβ to co-aggregate. Indeed, very few plaques are deposited in the absence of neuronally-derived Aβ, although soluble Aβ species are readily detected, especially in subcortical white matter. Our data identify OLs as a source of Aβ in vivo and further underscore a non-linear relationship between cellular Aβ production and resulting plaque formation. Ultimately, our observations are relevant for therapeutic strategies aimed at disease prevention in AD.