ABSTRACT Schizophrenia (SZ) is a common and debilitating psychiatric disorder with limited effective treatment options. Although highly heritable, risk for this polygenic disorder depends on the complex interplay of hundreds of common and rare variants. Translating the growing list of genetic loci significantly associated with disease into medically actionable information remains an important challenge. Thus, establishing platforms with which to validate the impact of risk variants in cell-type-specific and donor-dependent contexts is critical. Towards this, we selected and characterize a collection of twelve human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines derived from control donors with extremely low and high SZ polygenic risk scores (PRS). These hiPSC lines are publicly available at the California Institute for Regenerative Medicine (CIRM). The suitability of these extreme PRS hiPSCs for CRISPR-based isogenic comparisons of neurons and glia was evaluated across three independent laboratories, identifying 9 out of 12 meeting our criteria. We report a standardized resource of publicly available hiPSCs, with which we collectively commit to conducting future CRISPR-engineering, in order to facilitate comparison and integration of functional validation studies across the field of psychiatric genetics.

Abstract Identification of risk variants for neuropsychiatric diseases within enhancers underscores the importance of understanding the population-level variation of enhancers in the human brain. Besides regulating tissue- and cell-type-specific transcription of target genes, enhancers themselves can be transcribed. We expanded the catalog of known human brain transcribed enhancers by an order of magnitude by generating and jointly analyzing large-scale cell-type-specific transcriptome and regulome data. Examination of the transcriptome in 1,382 brain samples in two independent cohorts identified robust expression of transcribed enhancers. We explored gene-enhancer coordination and found that enhancer-linked genes are strongly implicated in neuropsychiatric disease. We identified significant expression quantitative trait loci (eQTL) for 25,958 enhancers which mediate 6.8% of schizophrenia heritability, mostly independent from standard gene eQTL. Inclusion of enhancer eQTL in transcriptome-wide association studies enhanced functional interpretation of disease loci. Overall, our study characterizes the enhancer-gene regulome and genetic mechanisms in the human cortex in both healthy and disease states.

Abstract The cellular complexity of the human brain is established via dynamic changes in gene expression throughout development that is mediated, in part, by the spatiotemporal activity of cis-regulatory elements. We simultaneously profiled gene expression and chromatin accessibility in 45,549 cortical nuclei across 6 broad developmental time-points from fetus to adult. We identified cell-type specific domains in which chromatin accessibility is highly correlated with gene expression. Differentiation pseudotime trajectory analysis indicates that chromatin accessibility at cis-regulatory elements precedes transcription and that dynamic changes in chromatin structure play a critical role in neuronal lineage commitment. In addition, we mapped cell-type and temporally specific genetic loci implicated in neuropsychiatric traits, including schizophrenia and bipolar disorder. Together, our results describe the complex regulation of cell composition at critical stages in lineage determination, serve as a developmental blueprint of the human brain and shed light on the impact of spatiotemporal alterations in gene expression on neuropsychiatric disease. One-Sentence Summary Simultaneous profiling of gene expression and chromatin accessibility in single nuclei from 6 developmental time-points sheds light on cell fate determination in the human cerebral cortex and on the molecular basis of neuropsychiatric disease.

ABSTRACT Dopaminergic neurons are critical to movement, mood, addiction, and stress. Current techniques for generating dopaminergic neurons from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) yield heterogenous cell populations with variable purity and inconsistent reproducibility between donors, hiPSC clones, and experiments. Here, we report the rapid (5 weeks) and efficient (~90%) induction of induced dopaminergic neurons (iDANs) through transient overexpression of lineage-promoting transcription factors combined with stringent selection across five donors. We observe maturation-dependent increase in dopamine synthesis, together with electrophysiological properties consistent with midbrain dopaminergic neuron identity, such as slow-rising after hyperpolarization potentials, an action potential duration of ~3ms, tonic sub-threshold oscillatory activity, and spontaneous burst firing at frequency of ~1.0-1.75 Hz. Transcriptome analysis reveals robust expression of genes involved in fetal midbrain dopaminergic neuron identity. Specifically expressed genes in iDANs, relative to their isogenic glutamatergic and GABAergic counterparts, were linked to the genetic risk architecture of a broad range of psychiatric traits, with iDANs showing particularly strong enrichment in loci conferring heritability for cannabis use disorder, schizophrenia, and bipolar disorder. Therefore, iDANs provide a critical tool for modeling midbrain dopaminergic neuron development and dysfunction in psychiatric disease.

Communication between glial cells has a profound impact on the pathophysiology of Alzheimer's disease (AD). We reveal here that reactive astrocytes control cell distancing in peri-plaque glial nets, which restricts microglial access to amyloid deposits. This process is governed by guidance receptor Plexin-B1 (PLXNB1), a network hub gene in individuals with late-onset AD that is upregulated in plaque-associated astrocytes. Plexin-B1 deletion in a mouse AD model led to reduced number of reactive astrocytes and microglia in peri-plaque glial nets, but higher coverage of plaques by glial processes, along with transcriptional changes signifying reduced neuroinflammation. Additionally, a reduced footprint of glial nets was associated with overall lower plaque burden, a shift toward dense-core-type plaques and reduced neuritic dystrophy. Altogether, our study demonstrates that Plexin-B1 regulates peri-plaque glial net activation in AD. Relaxing glial spacing by targeting guidance receptors may present an alternative strategy to increase plaque compaction and reduce neuroinflammation in AD. The axon guidance receptor Plexin-B1 regulates the cellular interaction of peri-plaque astrocytes with microglia to affect the pathophysiology of Alzheimer's disease.

ABSTRACT Post-traumatic stress disorder (PTSD) results from severe trauma exposure, but the extent to which genetic and epigenetic risk factors impact individual clinical outcomes is unknown. We assessed the impact of genomic differences following glucocorticoid administration by examining the transcriptional profile of human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived glutamatergic neurons and live cultured peripheral blood mononuclear cells from combat veterans with PTSD ( n =5) and without PTSD ( n =5). This parallel examination in baseline and glucocorticoid-treated conditions resolves cell-type specific and diagnosis-dependent elements of stress response, and permits discrimination of gene expression signals associated with PTSD risk from those induced by stress. Computational analyses revealed neuron-specific glucocorticoid-response expression patterns that were enriched for transcriptomic patterns observed in clinical PTSD samples. PTSD-specific signatures, albeit underpowered, accurately stratify veterans with PTSD relative to combat-exposed controls. Overall, in vitro PTSD and glucocorticoid response signatures in blood and brain cells represent exciting new platforms with which to test the genetic and epigenetic mechanisms underlying PTSD, identify biomarkers of PTSD risk and onset, and conduct drug-screening to identify novel therapeutics to prevent or ameliorate clinical phenotypes.

Back to table of contents Previous article Next article EditorialsFull AccessAligning Stem Cell Models and Postmortem Studies to Query Striatal Neurodevelopment in SchizophreniaKristen J. Brennand, Ph.D.Kristen J. Brennand, Ph.D.Published Online:1 Jun 2024https://doi.org/10.1176/appi.ajp.20240245AboutSectionsPDF/EPUB ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack Citations ShareShare onFacebookTwitterLinked InEmail Ever since the seminal report of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) in 2007 (1), and from it the implication that patient-specific cells of any type could be differentiated for models of development and disease, the pressing question has been "How closely do stem cell–derived cells recapitulate those in the original donor?" Particularly given that cellular reprogramming erases epigenetic, transcriptomic, and even morphological markers of age in hiPSCs and their differentiated progeny (2, 3), it is important to note that hiPSC-derived neurons most resemble fetal brain tissue (4, 5) and so are generally held to be best suited for studies of disease predisposition rather than late-stage disease.With respect to schizophrenia, the very earliest stem cell reports (6, 7) indeed reproduced the most basic cellular phenotypes long reported in postmortem analyses: reduced neurite outgrowth (8) and synaptic density (9). Subsequent stem cell findings, across idiopathic (10), syndromic rare deletions of 22q11.2 (11) and NRXN1 (12, 13), high polygenic risk (14), and even isogenic CRISPR-engineered studies of common variant lines (rs4702 [15] and rs1198588 [16]), demonstrated reduced synaptic maturation, decreased glutamatergic synaptic activity, increased GABAergic synaptic activity, and/or impaired depolarization-induced calcium signaling associated with schizophrenia risk variants. But critically, while all these studies made comparisons between carefully matched hiPSC-derived neurons from case and control subjects, none simultaneously made comparisons of postmortem brain tissue obtained specifically from the same individuals. Thus, the extent to which stem cell–derived neurons recapitulate signatures from the original donor brains themselves remains an open question.In this issue, Sawada et al. (17) describe a novel resource that makes it possible to directly compare hiPSC-derived neurons with their donor-matched counterparts in the postmortem brain, by reprogramming fibroblasts isolated from postmortem dural tissue from four neurotypical males and four males with schizophrenia. From a preexisting postmortem collection, the authors specifically selected individuals with extreme polygenic risk scores (PRSs) for hiPSC derivation: four control individuals with low PRSs and four individuals with schizophrenia with high PRSs. (Athough hiPSCs were generated from four schizophrenia donors, only three were used for subsequent comparisons.)But what type of hiPSC neuron and postmortem brain region to compare? Given that the striatum shows disrupted function and connectivity in schizophrenia and is principally comprised of GABAergic projection neurons carrying either D1 or D2 dopamine receptors, the primary target of most antipsychotics used to treat schizophrenia, the authors set out to establish a novel and more physiologically relevant model of human striatal development in a dish. Following upon insights gleaned from decades of neurodevelopmental studies, the authors directed human striatum development by ventralizing neural cells with a Wnt signaling pathway inhibitor and a sonic hedgehog agonist. The resulting brain organoids, termed "ventral forebrain organoids" (VFOs), expressed representative marker genes of the ganglionic eminence within 2 weeks, with more robust levels evident by day 37. Single-cell RNAseq profiles at later time points, days 70 and 150, did not substantially differ from each other, except for modest upregulation of synaptic genes with further maturation. Inhibitory neurons at both time points expressed markers of immature medium spiny neurons (MSNs), but only rarely did those genes associate with fully mature D1 and D2 receptor MSNs (see Figure 1 in the article). As expected, extracellular recording of spontaneous electrical activity (albeit from one control donor only) showed increased neuronal activity and network burst activity over time, which was increased by a GABAA receptor antagonist and blocked by a GABAA receptor agonist.Consistent with numerous reports in the field highlighting the magnitude of interdonor effects in stem cell models, the authors report that, independently of diagnosis, the genetic background of hiPSC lines leads to considerable variety in cell type composition. While there were no significant differences in cell type composition between VFOs from individuals with schizophrenia (N=3 donors) and control individuals (N=4 donors), diagnosis-dependent transcriptomic differences within both the progenitor and inhibitory neuron populations were uncovered (see Figures 2 and 3 in the article). The authors report 575 differentially expressed genes (DEGs) (243 upregulated and 332 downregulated) in progenitors and 144 (45 upregulated and 99 downregulated) in neurons derived from the schizophrenia cases. These DEGs included several genome-wide association study (GWAS)–significant genes. Schizophrenia case-derived progenitors showed downregulation of cell cycle genes and upregulation of neurodevelopmental genes; moreover, patient-derived inhibitory neurons likewise revealed upregulation of synaptic genes. Overall, these results suggest accelerated differentiation of striatal neuronal cells in individuals with schizophrenia relative to control subjects.The authors next applied their single-cell RNAseq data to generate a velocity field map of striatal neuron differentiation within the VFOs, applying latent time analyses to query developmental trajectories of striatal cells between case and control subjects. Consistent with the transcriptomic differences they reported, there were more cells at later developmental stages in the progenitor and inhibitory neuron populations in schizophrenia VFOs (see Figure 4 in the article). This analysis further identified putative driver genes of the observed accelerated maturation; in both progenitors and inhibitory neurons, driver genes overlapped with GWAS and/or transcriptome-wide association study (TWAS) target genes. Of note, the overlap of driver genes and TWAS-significant genes was specific to transcriptomic imputation predictions made from postmortem caudate tissue but not dorsolateral prefrontal cortex. Consistent with these findings, schizophrenia VFOs had reduced neuronal activity, suggestive of increased GABAergic inhibition. Altogether, the authors propose an accelerated striatal developmental trajectory in schizophrenia, suggesting that a subset of schizophrenia risk genes specifically regulate striatal neurodevelopment and thereby contribute to schizophrenia etiology.Even though, as expected, inhibitory neurons in the organoids showed greatest transcriptional similarity to developing fetal striatal neurons, these cells nevertheless recapitulated the schizophrenia-associated signatures seen in adult brain tissue (see Figure 5 in the article). Of note, this overlap was also brain region specific, observed in postmortem caudate but not dorsolateral prefrontal cortex. Upregulated genes in inhibitory neurons in schizophrenia VFOs showed a significant overlap with upregulated genes in postmortem caudate, of 154 individuals with schizophrenia compared with 245 control individuals (18), including the donors of the hiPSC cohort. This is an important finding, although it would have been more impactful if it had included donor-level resolution. To what extent do transcriptomic perturbations observed in each individual with schizophrenia correlate between in vitro VFO and postmortem striatal tissue? Did the patient with the most drastic acceleration of striatal neuron development in vitro likewise show the most severe clinical outcome or the most extreme postmortem gene expression signature? Overall, the authors demonstrate that striatal neurons derived from individuals with schizophrenia have transcriptomic signatures that may have originated during early striatal development.The findings presented likewise inform a new controversy concerning the similarity of postmortem human neurons to their live counterparts (i.e., comparisons of neuronal transcriptomic profiles from cadavers and discarded surgery tissue). Previously, a comparison of human prefrontal cortex gene expression between 275 living samples and 243 postmortem samples showed vast differences in gene expression for nearly 80% of genes, overall implying that postmortem brain gene expression signatures of Alzheimer's disease, schizophrenia, Parkinson's disease, bipolar disorder, and autism spectrum disorder may be inaccurate representations of disease processes occurring in the living brain (19). At issue is whether RNA from the living brain tissue samples was of equivalent quality to the postmortem samples (20). The present study further supports not only the value of postmortem analyses, but also the extent to which these disease signatures can be subsequently recapitulated in vitro using stem cell models.In demonstrating that their hiPSC-based model successfully recapitulated schizophrenia-relevant cell type–specific neurodevelopmental phenotypes in a dish, Sawada et al. lay the foundation for an array of future studies. Postmortem analyses are necessarily static, capturing differences in gene expression at a specific moment in time, and typically reflecting late-stage disease. Moving forward, genetic (e.g., introduction or removal of GWAS risk variants) and/or environmental perturbations (e.g., stress, drug exposure, antipsychotic response) can be combined with this human striatal development model to inform the dynamic nature of schizophrenia signatures.Departments of Psychiatry and Genetics, Division of Molecular Psychiatry, Yale University School of Medicine, New Haven, Conn.Send correspondence to Dr. Brennand ([email protected]).Supported by NIMH grants R01MH109897, R56MH101454, and R01MH123155 and National Institute of Environmental Health Sciences grant R01ES033630.The author reports no financial relationships with commercial interests.References1. Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, et al.: Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell 2007; 131:861–872Crossref, Medline, Google Scholar2. Miller JD, Ganat YM, Kishinevsky S, et al.: Human iPSC-based modeling of late-onset disease via progerin-induced aging. Cell Stem Cell 2013; 13:691–705Crossref, Medline, Google Scholar3. Mertens J, Paquola ACM, Ku M, et al.: Directly reprogrammed human neurons retain aging-associated transcriptomic signatures and reveal age-related nucleocytoplasmic defects. Cell Stem Cell 2015; 17:705–718Crossref, Medline, Google Scholar4. Brennand K, Savas JN, Kim Y, et al.: Phenotypic differences in hiPSC NPCs derived from patients with schizophrenia. Mol Psychiatry 2015; 20:361–368Crossref, Medline, Google Scholar5. Gordon A, Yoon SJ, Tran SS, et al.: Long-term maturation of human cortical organoids matches key early postnatal transitions. Nat Neurosci 2021; 24:331–342Crossref, Medline, Google Scholar6. Brennand KJ, Simone A, Jou J, et al.: Modelling schizophrenia using human induced pluripotent stem cells. Nature 2011; 473:221–225Crossref, Medline, Google Scholar7. Robicsek O, Karry R, Petit I, et al.: Abnormal neuronal differentiation and mitochondrial dysfunction in hair follicle-derived induced pluripotent stem cells of schizophrenia patients. Mol Psychiatry 2013; 18:1067–1076Crossref, Medline, Google Scholar8. Kulkarni VA, Firestein BL: The dendritic tree and brain disorders. Mol Cell Neurosci 2012; 50:10–20Crossref, Medline, Google Scholar9. Glantz LA, Lewis DA: Decreased dendritic spine density on prefrontal cortical pyramidal neurons in schizophrenia. Arch Gen Psychiatry 2000; 57:65–73Crossref, Medline, Google Scholar10. Yu DX, Di Giorgio FP, Yao J, et al.: Modeling hippocampal neurogenesis using human pluripotent stem cells. Stem Cell Reports 2014; 2:295–310Crossref, Medline, Google Scholar11. Khan TA, Revah O, Gordon A, et al.: Neuronal defects in a human cellular model of 22q11.2 deletion syndrome. Nat Med 2020; 26:1888–1898Crossref, Medline, Google Scholar12. Flaherty E, Zhu S, Barretto N, et al.: Neuronal impact of patient-specific aberrant NRXN1α splicing. Nat Genet 2019; 51:1679–1690Crossref, Medline, Google Scholar13. Fernando MB, Fan Y, Zhang Y, et al.: Precise therapeutic targeting of distinct NRXN1(+/-) mutations. bioRxiv, 2023 (https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.28.564543v2) Google Scholar14. Page SC, Sripathy SR, Farinelli F, et al.: Electrophysiological measures from human iPSC-derived neurons are associated with schizophrenia clinical status and predict individual cognitive performance. Proc Natl Acad Sci U S A 2022; 119:e2109395119Crossref, Medline, Google Scholar15. Schrode N, Ho SM, Yamamuro K, et al.: Synergistic effects of common schizophrenia risk variants. Nat Genet 2019; 51:1475–1485Crossref, Medline, Google Scholar16. Forrest MP, Zhang H, Moy W, et al.: Open chromatin profiling in hiPSC-derived neurons prioritizes functional noncoding psychiatric risk variants and highlights neurodevelopmental loci. Cell Stem Cell 2017; 21:305–318.e8Crossref, Medline, Google Scholar17. Sawada T, Barbosa AR, Araujo B, et al.: Recapitulation of perturbed striatal gene expression dynamics of donors' brains with ventral forebrain organoids derived from the same individuals with schizophrenia. Am J Psychiatry 2024; 181:493–511Abstract, Google Scholar18. Benjamin KJM, Chen Q, Jaffe AE, et al.: Analysis of the caudate nucleus transcriptome in individuals with schizophrenia highlights effects of antipsychotics and new risk genes. Nat Neurosci 2022; 25:1559–1568Crossref, Medline, Google Scholar19. Liharska LE, Park YJ, Ziafat K, et al.: A study of gene expression in the living human brain. medRxiv, 2023 (https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.04.21.23288916v2) Google Scholar20. Collado-Torres L, Klei L, Liu C, et al.: Comparison of gene expression in living and postmortem human brain. medRxiv, 2023 (https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2023.11.08.23298172v1) Google Scholar FiguresReferencesCited byDetailsCited byAdvances in Understanding Schizophrenia, ADHD, and ASDNed H. Kalin, M.D.1 June 2024 | American Journal of Psychiatry, Vol. 181, No. 6 Volume 181Issue 6 June 01, 2024Pages 465-467 Metrics KeywordsGenetics/GenomicsSchizophrenia Spectrum and Other Psychotic DisordersPDF download History Accepted 21 March 2024 Published online 1 June 2024 Published in print 1 June 2024

To explain why individuals exposed to identical stressors experience divergent clinical outcomes, we determine how molecular encoding of stress modifies genetic risk for brain disorders. Analysis of post-mortem brain (n=304) revealed 8557 stress-interactive expression quantitative trait loci (eQTLs) that dysregulate expression of 915 eGenes in response to stress, and lie in stress-related transcription factor binding sites. Response to stress is robust across experimental paradigms: up to 50% of stress-interactive eGenes validate in glucocorticoid treated hiPSC-derived neurons (n=39 donors). Stress-interactive eGenes show brain region- and cell type-specificity, and, in post-mortem brain, implicate glial and endothelial mechanisms. Stress dysregulates long-term expression of disorder risk genes in a genotype-dependent manner; stress-interactive transcriptomic imputation uncovered 139 novel genes conferring brain disorder risk only in the context of traumatic stress. Molecular stress-encoding explains individualized responses to traumatic stress; incorporating trauma into genomic studies of brain disorders is likely to improve diagnosis, prognosis, and drug discovery.

As genetic studies continue to identify risk loci that are significantly associated with risk for neuropsychiatric disease, a critical unanswered question is the extent to which diverse mutations --sometimes impacting the same gene-- will require tailored therapeutic strategies. Here we consider this in the context of rare neuropsychiatric disorder-associated copy number variants (2p16.3) resulting in heterozygous deletions in NRXN1, a pre-synaptic cell adhesion protein that serves as a critical synaptic organizer in the brain. Complex patterns of NRXN1 alternative splicing are fundamental to establishing diverse neurocircuitry, vary between the cell types of the brain, and are differentially impacted by unique (non-recurrent) deletions. We contrast the cell-type-specific impact of patient-specific mutations in NRXN1 using human induced pluripotent stem cells, finding that perturbations in NRXN1 splicing result in divergent cell-type-specific synaptic outcomes. Via distinct loss-of-function (LOF) and gain-of-function (GOF) mechanisms, NRXN1+/- deletions cause decreased synaptic activity in glutamatergic neurons, yet increased synaptic activity in GABAergic neurons. Stratification of patients by LOF and GOF mechanisms will facilitate individualized restoration of NRXN1 isoform repertoires; towards this, antisense oligonucleotides knockdown mutant isoform expression and alters synaptic transcriptional signatures, while treatment with β-estradiol rescues synaptic function in glutamatergic neurons. Given the increasing number of mutations predicted to engender both LOF and GOF mechanisms in brain disease, our findings add nuance to future considerations of precision medicine.

IMPORTANCE: Schizophrenia (SCZ) is a common illness with complex genetic architecture where both common genetic variation and rare mutations have been implicated. SCZ candidate genes participate in common molecular pathways that are regulated by activity-dependent changes in neurons, including the signaling network that modulates synaptic strength and the network of genes that are targets of fragile X mental retardation protein. One important next step is to further our understanding on the role of activity-dependent changes of genes expression in the etiopathogenesis of SCZ. OBJECTIVE: To examine whether neuronal activity-dependent changes of gene expression is dysregulated in SCZ. DESIGN, SETTING, AND PARTICIPANTS: Neurons differentiated from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) derived from 4 cases with SCZ and 4 unaffected controls were depolarized using potassium chloride. RNA was extracted followed by genome-wide profiling of the transcriptome. MAIN OUTCOMES AND MEASURES: We performed differential expression analysis and gene co-expression analysis to identify activity-dependent or disease-specific changes of the transcriptome. Further, we used gene set analyses to identify co-expressed modules that are enriched for SCZ risk genes. RESULTS: We identified 1,669 genes that are significantly different in SCZ-associated vs. control hiPSC-derived neurons and 1,199 genes that are altered in these cells in response to depolarization. We show that the effect of activity-dependent changes of gene expression in SCZ-associated neurons is attenuated compared to controls. Furthermore, these differentially expressed genes are co-expressed in modules that are highly enriched for genes affected by genetic risk variants in SCZ and other neurodevelopmental disorders. CONCLUSIONS AND RELEVANCE: Our results show that SCZ candidate genes converge to gene networks that are associated with a blunted effect of activity-dependent changes of gene expression in SCZ-associated neurons. Overall, these findings show that hiPSC neurons demonstrate activity-dependent transcriptional changes that can be utilized to examine underlying mechanisms and therapeutic interventions related to SCZ.