Abstract Copy number variations (CNVs) at 7q11.23 cause Williams-Beuren (WBS) and 7q microduplication syndromes (7Dup), two neurodevelopmental disorders with shared and opposite cognitive-behavioral phenotypes. Using patient-derived and isogenic neurons, we integrated transcriptomics, translatomics and proteomics to elucidate the molecular underpinnings of this dosage effect. We found that 7q11.23 CNVs cause opposite alterations in neuronal differentiation and excitability. Genes related to neuronal transmission chiefly followed 7q11.23 dosage and appeared transcriptionally controlled, while translation and ribosomal protein genes followed the opposite trend and were post-transcriptionally buffered. Mechanistically, we uncovered REST regulon as a key mediator of observed phenotypes and rescued transcriptional and excitability alterations through REST inhibition. We identified downregulation of global protein synthesis, mGLUR5 and ERK-mTOR pathways activity in steady-state in both WBS and 7Dup, whereas BDNF stimulation rescued them specifically in 7Dup. Overall, we show that 7q11.23 CNVs alter protein synthesis and neuronal firing-established molecular and cellular phenotypes of neurodevelopmental disorders. Graphical abstract

Abstract Symmetrical 7q11.23 dosage alterations cause craniofacial and cognitive/behavioral phenotypes that provide a privileged entry point into the evolution of the modern human face and (pro-) sociality. We undertook a functional dissection of chromatin remodeler BAZ1B in neural crest stem cells (NCSCs) from a uniquely informative cohort of typical and atypical patients harboring 7q11.23 Copy Number Variants (CNVs). Our results reveal a key contribution of BAZ1B to NCSC in vitro induction and migration, coupled with a crucial involvement in neural crest (NC)-specific transcriptional circuits and distal regulation. By intersecting our experimental data with new paleogenetic analyses comparing modern and archaic humans, we uncover a modern-specific enrichment for regulatory changes both in BAZ1B and its experimentally defined downstream targets, thereby providing the first empirical validation of the self-domestication hypothesis and positioning BAZ1B as a master regulator of the modern human face. One Sentence Summary BAZ1B dosage shapes the modern human face.

Abstract Copy number variations at 7q11.23 cause neurodevelopmental disorders with shared and opposite manifestations. Deletion causes Williams-Beuren syndrome (WBS), while duplication causes 7q11.23 microduplication syndrome (7Dup). Converging evidence indicates GTF2I , from the 7q11.23 locus, is a key mediator of the cognitive-behavioral phenotypes associated with WBS and 7Dup. Here we integrate molecular profiling of patient-derived cortical organoids (COs) and transgenic mouse models to dissect 7q11.23 disease mechanisms. Proteomic and transcriptomic profiling of COs revealed opposite dynamics of neural progenitor proliferation and transcriptional imbalances, leading to precocious excitatory neuron production in 7Dup. The accelerated excitatory neuron production in 7Dup COs could be rescued by GTF2I knockdown. Transgenic mice with Gtf2i duplication recapitulated early neuronal differentiation defects and ASD-like behaviors. Remarkably, inhibition of LSD1, a downstream effector of GTF2I , was sufficient to rescue ASD-like phenotypes. We propose that the GTF2I-LSD1 axis constitutes a molecular pathway amenable to therapeutic intervention.

ABSTRACT Brain organoids are becoming increasingly relevant to dissect the molecular mechanisms underlying psychiatric and neurological conditions. The in vitro recapitulation of key features of human brain development affords the unique opportunity of investigating the developmental antecedents of neuropsychiatric conditions in the context of the actual patients’ genetic backgrounds. Specifically, multiple strategies of brain organoid (BO) differentiation have enabled the investigation of human cerebral corticogenesis in vitro with increasing accuracy. However, the field lacks a systematic investigation of how closely the gene co-expression patterns seen in cultured BO from different protocols match those observed in fetal cortex, a paramount information for ensuring the sensitivity and accuracy of modeling disease trajectories. Here we benchmark BO against fetal corticogenesis by integrating transcriptomes from in-house differentiated cortical BO (CBO), other BO systems, human fetal brain samples processed in-house, and prenatal cortices from the BrainSpan Atlas. We identified co-expression patterns and prioritized hubs of human corticogenesis and CBO differentiation, highlighting both well-preserved and discordant trends across BO protocols, including different degrees of heterochronicity in differentiation across BO models compared to fetal cortex. Our approach provides a framework to directly compare the extent of in vivo/in vitro alignment of neurodevelopmentally relevant processes and their attending temporalities, structured as an accessible resource to query for modelling human corticogenesis and the neuropsychiatric outcomes of its alterations.

Summary The regulation of proliferation and polarity of neural progenitors is crucial for the development of the brain cortex, with modes and timings of cell division intimately related to the stereotypical acquisition of layer-specific neuronal identities. Animal studies have implicated glycogen synthase kinase 3 (GSK3) as a pivotal regulator of both proliferation and polarity, yet the functional relevance of its signaling for the unique features of human corticogenesis remain to be elucidated. Here we harness human cortical brain organoids to probe the longitudinal impact of GSK3 inhibition through multiple developmental stages. Our results indicate that chronic GSK3 inhibition increases the proliferation of neural progenitors and causes massive derangement of cortical tissue architecture. Surprisingly, single cell transcriptome profiling revealed only a discrete impact on early neurogenesis and uncovered a pivotal role of GSK3 in the regulation of NEUROD1/2 lineages and outer radial glia (oRG) output, without compromising direct neurogenic trajectories. Through this first single cell-level dissection of the GSK3 regulatory network in human corticogenesis, our work underscores the robustness of transcriptional programs in determining neuronal identity independent of tissue architecture.

Copy number variation (CNV) at 7q11.23 causes Williams-Beuren syndrome (WBS) and 7q microduplication syndrome (7Dup), neurodevelopmental disorders (NDDs) featuring intellectual disability accompanied by symmetrically opposite neurocognitive features. Although significant progress has been made in understanding the molecular mechanisms underlying 7q11.23-related pathophysiology, the propagation of CNV dosage across gene expression layers and their interplay remains elusive. Here we uncovered 7q11.23 dosage-dependent symmetrically opposite dynamics in neuronal differentiation and intrinsic excitability. By integrating transcriptomics, translatomics, and proteomics of patient-derived and isogenic induced neurons, we found that genes related to neuronal transmission follow 7q11.23 dosage and are transcriptionally controlled, while translational factors and ribosomal genes are posttranscriptionally buffered. Consistently, we found phosphorylated RPS6 (p-RPS6) downregulated in WBS and upregulated in 7Dup. Surprisingly, p-4EBP was changed in the opposite direction, reflecting dosage-specific changes in total 4EBP levels. This highlights different dosage-sensitive dyregulations of the mTOR pathway as well as distinct roles of p-RPS6 and p-4EBP during neurogenesis. Our work demonstrates the importance of multiscale disease modeling across molecular and functional layers, uncovers the pathophysiological relevance of ribosomal biogenesis in a paradigmatic pair of NDDs, and uncouples the roles of p-RPS6 and p-4EBP as mechanistically actionable relays in NDDs.

Abstract Inter-individual genetic variation affects the susceptibility to and progression of many diseases. Efforts to study the molecular mechanisms mediating the impact of human genetic variation on normal development and disease phenotypes are limited, however, by the paucity of faithful cellular human models, and the difficulty of scaling current systems to represent multiple individuals. Here, we present human brain “Chimeroids”, a highly reproducible, multi-donor human brain cortical organoid model generated by the co-development of cells from a panel of individual donors in a single organoid, while maintaining fidelity to endogenous tissue. By reaggregating cells from multiple single-donor organoids at the neural stem or committed progenitor cell stage, we generate Chimeroids in which each donor produces all cell lineages of the cerebral cortex, even when using pluripotent stem cell lines with notable growth biases. We leveraged Chimeroids to investigate inter-individual variation in susceptibility to neurotoxic stressors that exhibit high clinical phenotypic variability: ethanol and the anti-epileptic drug valproic acid. Individual donors varied in both the penetrance of the effect on target cell types, and the molecular phenotype within each affected cell type. Our results show that human genetic background may be an important mediator of neurotoxin susceptibility and introduce Chimeroids as a scalable system for high-throughput investigation of the contribution of human genetic variation to brain development and disease.

Abstract The combination of brain organoid and single cell omic technologies holds transformative potential to dissect human neurobiology at high resolution and with mechanistic precision. Delivering this promise in the context of human neurodiversity, physiological and pathological alike, requires however a major leap in scalability, given the need for experimental designs that include multiple individuals and, prospectively, population cohorts. To lay the foundation for this, we implemented and benchmarked complementary strategies to multiplex brain organoids. Following an extended longitudinal design with a uniquely informative set of timepoints, we pooled cells from different induced pluripotent stem cell lines either during organoids generation (upstream multiplexing in mosaic models) or before single cell-RNAseq library preparation (downstream multiplexing). We developed a new method, SCanSNP, and an aggregated call to deconvolve organoids cell identities, overcoming current criticalities in doublets prediction and low quality cells identification and improving accuracy over state of the art algorithms. Integrating single cell transcriptomes and analysing cell types across neurodevelopmental stages and multiplexing modalities, we validated the feasibility of both multiplexing methods in charting neurodevelopmental trajectories at high resolution, linking their specificity to genetic variation between individual lines. Together, this multiplexing suite of experimental and computational methods provides an enabling resource for disease modelling at scale and paves the way towards an in vitro epidemiology paradigm.