Influenza is notable for its evolutionary capacity to escape immunity targeting the viral hemagglutinin. We used deep mutational scanning to examine the extent to which a high inherent mutational tolerance contributes to this antigenic evolvability. We created mutant viruses that incorporate most of the ≈104 amino-acid mutations to hemagglutinin from A/WSN/1933 (H1N1) influenza. After passaging these viruses in tissue culture to select for functional variants, we used deep sequencing to quantify mutation frequencies before and after selection. These data enable us to infer the preference for each amino acid at each site in hemagglutinin. These inferences are consistent with existing knowledge about the protein's structure and function, and can be used to create a model that describes hemagglutinin's evolution far better than existing phylogenetic models. We show that hemagglutinin has a high inherent tolerance for mutations at antigenic sites, suggesting that this is one factor contributing to influenza's antigenic evolution.

Abstract Human cortical interneurons have been challenging to study due to high diversity and lack of mature brain tissue platforms and genetic targeting tools. We employed rapid GABAergic neuron viral labeling plus unbiased Patch-seq sampling in brain slices to define the signature morpho-electric properties of GABAergic neurons in the human neocortex. Viral targeting greatly facilitated sampling of the SST subclass, including primate specialized double bouquet cells which mapped to two SST transcriptomic types. Multimodal analysis uncovered an SST neuron type with properties inconsistent with original subclass assignment; we instead propose reclassification into PVALB subclass. Our findings provide novel insights about functional properties of human cortical GABAergic neuron subclasses and types and highlight the essential role of multimodal annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies. One Sentence Summary Viral genetic labeling of GABAergic neurons in human ex vivo brain slices paired with Patch-seq recording yields an in-depth functional annotation of human cortical interneuron subclasses and types and highlights the essential role of multimodal functional annotation for refinement of emerging transcriptomic cell type taxonomies.

Abstract Proper brain function requires the assembly and function of diverse populations of neurons and glia. Single cell gene expression studies have mostly focused on characterization of neuronal cell diversity; however, recent studies have revealed substantial diversity of glial cells, particularly astrocytes. To better understand glial cell types and their roles in neurobiology, we built a new suite of adeno-associated viral (AAV)-based genetic tools to enable genetic access to astrocytes and oligodendrocytes. These oligodendrocyte and astrocyte enhancer-AAVs are highly specific (usually > 95% cell type specificity) with variable expression levels, and our astrocyte enhancer-AAVs show multiple distinct expression patterns reflecting the spatial distribution of astrocyte cell types. To provide the best glial-specific functional tools, several enhancer-AAVs were: optimized for higher expression levels, shown to be functional and specific in rat and macaque, shown to maintain specific activity in epilepsy where traditional promoters changed activity, and used to drive functional transgenes in astrocytes including Cre recombinase and acetylcholine-responsive sensor iAChSnFR. The astrocyte-specific iAChSnFR revealed a clear reward-dependent acetylcholine response in astrocytes of the nucleus accumbens during reinforcement learning. Together, this collection of glial enhancer-AAVs will enable characterization of astrocyte and oligodendrocyte populations and their roles across species, disease states, and behavioral epochs.

Influenza is notable for its evolutionary capacity to escape immunity targeting the viral hemagglutinin. We used deep mutational scanning to examine the extent to which a high inherent mutational tolerance contributes to this antigenic evolvability. We created mutant viruses that incorporate most of the ≈104 amino-acid mutations to hemagglutinin from A/WSN/1933 (H1N1) influenza. After passaging these viruses in tissue culture to select for functional variants, we used deep sequencing to quantify mutation frequencies before and after selection. These data enable us to infer the preference for each amino acid at each site in hemagglutinin. These inferences are consistent with existing knowledge about the protein's structure and function, and can be used to create a model that describes hemagglutinin's evolution far better than existing phylogenetic models. We show that hemagglutinin has a high inherent tolerance for mutations at antigenic sites, suggesting that this is one factor contributing to influenza's antigenic evolution.

Summary Experimental access to cell types within the mammalian spinal cord is severely limited by the availability of genetic tools. To enable access to lower motor neurons (LMNs) and LMN subtypes, which function to integrate information from the brain and control movement through direct innervation of effector muscles, we generated single cell multiome datasets from mouse and macaque spinal cords and discovered putative enhancers for each neuronal population. We cloned these enhancers into adeno-associated viral vectors (AAVs) driving a reporter fluorophore and functionally screened them in mouse. The most promising candidate enhancers were then extensively characterized using imaging and molecular techniques and further tested in rat and macaque to show conservation of LMN labeling. Additionally, we combined enhancer elements into a single vector to achieve simultaneous labeling of upper motor neurons (UMNs) and LMNs. This unprecedented LMN toolkit will enable future investigations of cell type function across species and potential therapeutic interventions for human neurodegenerative diseases.

We present an enhancer AAV toolbox for accessing and perturbing striatal cell types and circuits. Best-in-class vectors were curated for accessing major striatal neuron populations including medium spiny neurons (MSNs), direct and indirect pathway MSNs, as well as Sst-Chodl, Pvalb-Pthlh, and cholinergic interneurons. Specificity was evaluated by multiple modes of molecular validation, three different routes of virus delivery, and with diverse transgene cargos. Importantly, we provide detailed information necessary to achieve reliable cell type specific labeling under different experimental contexts. We demonstrate direct pathway circuit-selective optogenetic perturbation of behavior and multiplex labeling of striatal interneuron types for targeted analysis of cellular features. Lastly, we show conserved

The mammalian cortex is comprised of cells with different morphological, physiological, and molecular properties that can be classified according to shared properties into cell types. Defining the contribution of each cell type to the computational and cognitive processes that are guided by the cortex is essential for understanding its function in health and disease. We use transcriptomic and epigenomic cortical cell type taxonomies from mice and humans to define marker genes and enhancers, and to build genetic tools for cortical cell types. Here, we present a large toolkit for selective targeting of cortical populations, including mouse transgenic lines and recombinant adeno-associated virus (AAV) vectors containing genomic enhancers. We report evaluation of fifteen new transgenic driver lines and over 680 different enhancer AAVs covering all major subclasses of cortical cells, with many achieving a high degree of specificity, comparable with existing transgenic lines. We find that the transgenic lines based on marker genes can provide exceptional specificity and completeness of cell type labeling, but frequently require generation of a triple-transgenic cross for best usability/specificity. On the other hand, enhancer AAVs are easy to screen and use, and can be easily modified to express diverse cargo, such as recombinases. However, their use depends on many factors, such as viral titer and route of administration. The tools reported here as well as the scaled process of tool creation provide an unprecedented resource that should enable diverse experimental strategies towards understanding mammalian cortex and brain function.