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.

SUMMARY The pathophysiology of epilepsy underlies complex network dysfunction, the cell-type-specific contributions of which remain poorly defined in human disease. In this study, we developed a strategy that simultaneously isolates neuronal, astrocyte and oligodendroglial progenitor (OPC)-enriched nuclei from human fresh-frozen neocortex and applied it to characterize the distinct transcriptome of each cell type in temporal lobe epilepsy (TLE) surgical samples. Differential RNA-seq analysis revealed several dysregulated pathways in neurons, OPCs, and astrocytes, and disclosed an immature phenotype switch in TLE astrocytes. An independent single cell RNA-seq TLE dataset uncovered a hybrid population of cells aberrantly co-expressing canonical astrocyte and OPC-like progenitor markers (GFAP+OLIG2+ glia), which we corroborated in-situ in human TLE samples, and further demonstrated their emergence after chronic seizure injury in a mouse model of status epilepticus. In line with their immature signature, a subset of human TLE glia were also abnormally proliferative, both in-vivo and in-vitro. Generally, this analysis validates the utility of the proposed cell type-specific isolation strategy to study glia-specific changes ex vivo using fresh-frozen human samples, and specifically, it delineates an aberrant glial phenotype in human TLE specimens.

Abstract Schizophrenia (SCZ) is a complex neuropsychiatric disorder in which both germline genetic mutations and maternal factors, such as infection and immune activation, have been implicated, but how these two strikingly different mechanisms might converge on the same phenotype is unknown. During development, cells accumulate somatic, mosaic mutations in ways that can be shaped by the cellular environment or endogenous processes, but these early developmental mutational patterns have not been studied in SCZ. Here we analyzed deep (267x) whole-genome sequencing (WGS) of DNA from cerebral cortical neurons isolated from 61 SCZ and 25 control postmortem brains to capture mutations occurring before or during fetal neurogenesis. SCZ cases showed a >15% increase in genome-wide sSNV compared to controls (p < 2e-10). Remarkably, mosaic T>G mutations and CpG transversions (CpG>GpG or CpG>ApG) were 79- and 62-fold enriched, respectively, at transcription factor binding sites (TFBS) in SCZ, but not in controls. The pattern of T>G mutations resembles mutational processes in cancer attributed to oxidative damage that is sterically blocked from DNA repair by transcription factors (TFs) bound to damaged DNA. The CpG transversions similarly suggest unfinished DNA demethylation resulting in abasic sites that can also be blocked from repair by bound TFs. Allele frequency analysis suggests that both localized mutational spikes occur in the first trimester. We call this prenatal mutational process “ skiagenesis ” (from the Greek skia , meaning shadow), as these mutations occur in the shadow of bound TFs. Skiagenesis reflects as-yet unidentified prenatal factors and is associated with SCZ risk in a subset (∼13%) of cases. In turn, mutational disruption of key TFBS active in fetal brain is well positioned to create SCZ-specific gene dysregulation in concert with germline risk genes. Skiagenesis provides a fingerprint for exploring how epigenomic regulation and prenatal factors such as maternal infection or immune activation may shape the developmental mutational landscape of human brain.

Abstract To explore modular organization of chromosomes in schizophrenia (SCZ) and bipolar disorder (BD), we applied ‘population-scale’ correlational structuring of 739 histone H3-lysine 27 acetylation and H3-lysine 4 trimethylation profiles, generated from the prefrontal cortex (PFC) of 568 cases and controls. Neuronal histone acetylomes and methylomes assembled as thousands of cis-regulatory domains (CRDs), revealing fine-grained, kilo-to megabase scale chromatin organization at higher resolution but firmly integrated into Hi-C chromosomal conformations. Large clusters of domains that were hyperacetylated in disease shared spatial positioning within the nucleus, predominantly regulating PFC projection neuron function and excitatory neurotransmission. Hypoacetylated domains were linked to inhibitory interneuron- and myelination-relevant genes. Chromosomal modular architecture is affected in SCZ and BD, with hyperacetylated domains showing unexpectedly strong convergences defined by cell type, nuclear topography, genetic risk, and active chromatin state across a wide developmental window.

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.

Dynamic interactions of neurons and glia in the ventral midbrain (VM) mediate reward and addiction behavior. We studied gene expression in 212,713 VM single nuclei from 95 human opioid overdose cases and drug-free controls. Chronic exposure to opioids left numerical proportions of VM glial and neuronal subtypes unaltered, while broadly affecting glial transcriptomes, involving 9.5 - 6.2% of expressed genes within microglia, oligodendrocytes, and astrocytes, with prominent activation of the immune response including interferon, NFkB signaling, and cell motility pathways, sharply contrasting with down-regulated expression of synaptic signaling and plasticity genes in VM non-dopaminergic neurons. VM transcriptomic reprogramming in the context of opioid exposure and overdose included 325 genes with genetic variation linked to substance use traits in the broader population, thereby pointing to heritable risk architectures in the genomic organization of the brain's reward circuitry.

Abstract Post-zygotic mutations incurred during DNA replication, DNA repair, and other cellular processes lead to somatic mosaicism. Somatic mosaicism is an established cause of various diseases, including cancers. However, detecting mosaic variants in DNA from non-cancerous somatic tissues poses significant challenges, particularly if the variants only are present in a small fraction of cells. Here, the Brain Somatic Mosaicism Network conducted a coordinated, multi-institutional study to: (i) examine the ability of existing methods to detect simulated somatic single nucleotide variants (SNVs) in DNA mixing experiments; (ii) generate multiple replicates of whole genome sequencing data from the dorsolateral prefrontal cortex, other brain regions, dura mater, and dural fibroblasts of a single neurotypical individual; (iii) devise strategies to discover somatic SNVs; and (iv) apply various approaches to validate somatic SNVs. These efforts led to the identification of 43 bona fide somatic SNVs that ranged in variant allele fractions from ~0.005 to ~0.28. Guided by these results, we devised best practices for calling mosaic SNVs from 250X whole genome sequencing data in the accessible portion of the human genome that achieve 90% specificity and sensitivity. Finally, we demonstrated that analysis of multiple bulk DNA samples from a single individual allows the reconstruction of early developmental cell lineage trees. Thus, this study provides a unified set of best practices to detect somatic SNVs in non-cancerous tissues. The data and methods are freely available to the scientific community and should serve as a guide to assess the contributions of somatic SNVs to neuropsychiatric diseases.

ABSTRACT Opioid dependence is a highly heterogeneous disease driven by a variety of genetic and environmental risk factors which have yet to be fully elucidated. We interrogated the effects of opioid dependence on the brain using ChIP-seq to quantify patterns of H3K27 acetylation in dorsolateral prefrontal cortical neurons isolated from 51 opioid-overdose cases and 51 accidental death controls. Among opioid cases, we observed global hypoacetylation and identified 388 putative enhancers consistently depleted for H3K27ac. Machine learning on H3K27ac patterns predicts case-control status with high accuracy. We focus on case-specific regulatory alterations, revealing 81,399 hypoacetylation events, uncovering vast inter-patient heterogeneity. We developed a strategy to decode this heterogeneity based on convergence analysis, which leveraged promoter-capture Hi-C to identify five genes over-burdened by alterations in their regulatory network or “plexus”: ASTN2, KCNMA1, DUSP4, GABBR2, ENOX1 . These convergent loci are enriched for opioid use disorder risk genes and heritability for generalized anxiety, number of sexual partners, and years of education. Overall, our multi-pronged approach uncovers neurobiological aspects of opioid dependence and captures genetic and environmental factors perpetuating the opioid epidemic.

Abstract Substance use disorders (SUD) and drug addiction are major threats to public health, impacting not only the millions of individuals struggling with SUD, but also surrounding families and communities. One of the seminal challenges in treating and studying addiction in human populations is the high prevalence of co-morbid conditions, including an increased risk of contracting a human immunodeficiency virus (HIV) infection. Of the ~15 million people who inject drugs globally, 17% are persons with HIV. Conversely, HIV is a risk factor for SUD because chronic pain syndromes, often encountered in persons with HIV, can lead to an increased use of opioid pain medications that in turn can increase the risk for opioid addiction. We hypothesize that SUD and HIV exert shared effects on brain cell types, including adaptations related to neuroplasticity, neurodegeneration, and neuroinflammation. Basic research is needed to refine our understanding of these affected cell types and adaptations. Studying the effects of SUD in the context of HIV at the single-cell level represents a compelling strategy to understand the reciprocal interactions among both conditions, made feasible by the availability of large, extensively-phenotyped human brain tissue collections that have been amassed by the Neuro-HIV research community. In addition, sophisticated animal models that have been developed for both conditions provide a means to precisely evaluate specific exposures and stages of disease. We propose that single-cell genomics is a uniquely powerful technology to characterize the effects of SUD and HIV in the brain, integrating data from human cohorts and animal models. We have formed the Single-Cell Opioid Responses in the Context of HIV (SCORCH) consortium to carry out this strategy.

Abstract In coronavirus disease 2019 (COVID-19), caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection, the relationship between brain tropism, neuroinflammation and host immune response has not been well characterized. We analyzed 68,557 single-nucleus transcriptomes from three brain regions (dorsolateral prefrontal cortex, medulla oblongata and choroid plexus) and identified an increased proportion of stromal cells and monocytes in the choroid plexus of COVID-19 patients. Differential gene expression, pseudo-temporal trajectory and gene regulatory network analyses revealed microglial transcriptome perturbations, mediating a range of biological processes, including cellular activation, mobility and phagocytosis. Quantification of viral spike S1 protein and SARS-CoV-2 transcripts did not support the notion of brain tropism. Overall, our findings suggest extensive neuroinflammation in patients with acute COVID-19. One Sentence Summary Single-nucleus transcriptome analysis suggests extensive neuroinflammation in human brain tissue of patients with acute coronavirus disease 2019.