SUMMARY Growing evidence implicates the importance of glia, particularly astrocytes, in neurological and psychiatric diseases. Here, we describe a rapid and robust method for the differentiation of highly pure populations of replicative astrocytes from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), via a neural progenitor cell (NPC) intermediate. Using this method, we generated hiPSC-derived astrocyte populations (hiPSC-astrocytes) from 42 NPC lines (derived from 30 individuals) with an average of ∼90% S100β-positive cells. Transcriptomic analysis demonstrated that the hiPSC-astrocytes are highly similar to primary human fetal astrocytes and characteristic of a non-reactive state. hiPSC-astrocytes respond to inflammatory stimulants, display phagocytic capacity and enhance microglial phagocytosis. hiPSC-astrocytes also possess spontaneous calcium transient activity. Our novel protocol is a reproducible, straightforward (single media) and rapid (<30 days) method to generate homogenous populations of hiPSC-astrocytes that can be used for neuron-astrocyte and microglia-astrocyte co-cultures for the study of neuropsychiatric disorders. ABBREVIATIONS hiPSC human induced pluripotent stem cell NPC neural progenitor cell

SUMMARY Frontotemporal dementia (FTD) due to MAPT mutation causes pathological accumulation of tau and glutamatergic cortical neuronal death by unknown mechanisms. We used human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived cerebral organoids expressing tau-V337M and isogenic corrected controls to discover early alterations due to the mutation that precede neurodegeneration. At 2 months, mutant organoids show upregulated expression of MAPT , and glutamatergic signaling pathways and regulators including the RNA-binding protein ELAVL4 . Over the following 4 months, mutant organoids accumulate splicing changes, disruption of autophagy function and build-up of tau and P-tau S396. By 6 months, tau-V337M organoids show specific loss of glutamatergic neurons of layers affected in patients. Mutant neurons are susceptible to glutamate toxicity which was rescued pharmacologically by treatment with the PIKFYVE kinase inhibitor apilimod. Our results demonstrate a sequence of events that precede cell death, revealing molecular pathways associated with glutamate signaling as potential targets for therapeutic intervention in FTD.

Summary Cerebral cortical-enriched organoids derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) are valuable models for studying neurodevelopment, disease mechanisms, and therapeutic development. However, recognized limitations include the high variability of organoids across hPSC donor lines and experimental replicates. We report a 96-slitwell method for efficient, scalable, reproducible cortical organoid production. When hPSCs were cultured with controlled-release FGF2 and an SB431542 concentration appropriate for their TGFBR1 / ALK5 expression level, organoid cortical patterning and reproducibility were significantly improved. Well-patterned organoids included 16 neuronal and glial subtypes by single cell RNA sequencing (scRNA-seq), frequent neural progenitor rosettes and robust BCL11B+ and TBR1+ deep layer cortical neurons at 2 months by immunohistochemistry. In contrast, poorly-patterned organoids contain mesendoderm-related cells, identifiable by negative QC markers including COL1A2 . Using this improved protocol, we demonstrate increased sensitivity to study the impact of different MAPT mutations from patients with frontotemporal dementia (FTD), revealing early changes in key metabolic pathways.

Abstract Genetic and genomic studies of brain disease increasingly demonstrate disease-associated interactions between the cell types of the brain. Increasingly complex and more physiologically relevant human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-based models better explore the molecular mechanisms underlying disease, but also challenge our ability to resolve cell-type specific perturbations. Here we report an extension of the RiboTag system, first developed to achieve cell-type restricted expression of epitope-tagged ribosomal protein (RPL22) in mouse tissue, to a variety of in vitro applications, including immortalized cell lines, primary mouse astrocytes, and hiPSC-derived neurons. RiboTag expression enables efficient depletion of off-target RNA in mixed species primary co-cultures and in hiPSC-derived neural progenitor cells, motor neurons, and GABAergic neurons. Nonetheless, depletion efficiency varies across independent experimental replicates. The challenges and potential of implementing RiboTags in complex in vitro cultures are discussed.

Abstract Primary age-related tauopathy (PART) is a neurodegenerative tauopathy with features distinct from but also overlapping with Alzheimer disease (AD). While both exhibit Alzheimer-type temporal lobe neurofibrillary degeneration alongside amnestic cognitive impairment, PART develops independently of amyloid-β (Aβ) deposition in plaques. The pathogenesis of PART is unknown, but evidence suggests it is associated with genes that promote tau pathology as well as others that protect from Aβ toxicity. Here, we performed a genetic association study in an autopsy cohort of individuals with PART ( n =647) using Braak neurofibrillary tangle stage as a quantitative trait adjusting for sex, age, genotyping platform, and principal components. We found significant associations with some candidate loci associated with AD and progressive supranuclear palsy, a primary tauopathy ( SLC24A4, MS4A6A, HS3ST1, MAPT and EIF2AK3 ). Genome-wide association analysis revealed a novel significant association with a single nucleotide polymorphism on chromosome 4 (rs56405341) in a locus containing three genes, including JADE1 which was significantly upregulated in tangle-bearing neurons by single-soma RNA-seq. Immunohistochemical studies using antisera targeting JADE1 protein revealed localization within tau aggregates in autopsy brain from tauopathies containing isoforms with four microtubule-binding domain repeats (4R) and mixed 3R/4R, but not with 3R exclusively. Co-immunoprecipitation revealed a direct and specific binding of JADE1 protein to tau containing four (4R) and no N-terminal inserts (0N4R) in post-mortem human PART brain tissue. Finally, knockdown of the Drosophila JADE1 homolog rhinoceros (rno) enhanced tau-induced toxicity and apoptosis in vivo in a humanized 0N4R mutant tau knock-in model as quantified by rough eye phenotype and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end-labeling (TUNEL) in the fly brain. Together, these findings indicate that PART has a genetic architecture that partially overlaps with AD and other tauopathies and suggests a novel role for JADE1 as a mediator of neurofibrillary degeneration.

ABSTRACT Understanding regulation of MAPT splicing is important to the etiology of many nerurodegenerative diseases, including Alzheimer disease (AD) and progressive supranuclear palsy (PSP), in which different tau isoforms accumulate in pathologic inclusions. MAPT , the gene encoding the tau protein, undergoes complex alternative pre-mRNA splicing to generate six isoforms. Tauopathies can be categorized by the presence of tau aggregates containing either 3 (3R) or 4 (4R) microtubule binding domain repeats (determined by inclusion/exclusion of exon 10), but the role of the N terminal domain of the protein, determined by inclusion/exclusion of exons 2 and 3 has been less well studied. Using an unbiased correlational screen in human brain tissue, we observed coordination of MAPT exons 2 and 10 splicing. Expression of exon 2 splicing regulators and subsequently exon 2 inclusion are differentially disrupted in PSP and AD brain, resulting in the accumulation of 1N4R isoforms in PSP and 0N isoforms in AD temporal cortex. Furthermore, we identified different N-terminal isoforms of tau present in neurofibrillary tangles, dystrophic neurites and tufted astrocytes, indicating a role for differential N-terminal splicing in the development of disparate tau neuropathologies. We conclude that N-terminal splicing and combinatorial regulation with exon 10 inclusion/exclusion is likely to be important to our understanding of tauopathies.

Parkinson's disease (PD) and progressive supranuclear palsy (PSP) are clinically similar neurodegenerative movement disorders that display unique neuropathological features (i.e. Lewy body pathology and Tau pathology, respectively). While each disorder has distinct clinical and genetic risk factors, both are associated with the MAPT 17q.21.31 locus H1 haplotype. This suggests a pleiotropic effect of this genomic region. To better understand the genetic contribution of this region to these diseases, we fine-mapped the apparent pleiotropy of this locus. Our study indicates that PD and PSP are associated with different sub-haplotypes of the H1 clade. PD-associated sub-haplotypes were associated with altered LRRC37A copy number and expression, which, like other PD risk-associated genes, we hypothesize to be most relevant to astroglial function. In contrast, PSP was associated with grossly altered LD structure across the 17q21.31 locus, and risk-associated variants were found to impact chromatin structure in both neurons and microglia. We conclude that the contribution of the 17q21.31 locus to multiple disorders is a result of its structural and haplotypic complexity, which in turn impacts the regulation of multiple genes and neural cell types. This raises the possibility of novel disease-specific pathogenic mechanisms driven by 17q21.31 structural variation and altered epigenetic regulation that appear to converge on glial function and gene expression. By fine-mapping the association of H1 with PD and PSP, we have begun to untangle the apparent pleiotropy of this locus, and gain better insight into the mechanism of each disease, which will guide future functional analyses and disease models for PD and PSP.

Due to the importance of 4R tau in the pathogenicity of primary tauopathies, it has been challenging to model these diseases in iPSC-derived neurons, which express very low levels of 4R tau. To address this problem we have developed a panel of isogenic iPSC lines carrying the MAPT splice-site mutations S305S, S305I or S305N, derived from four different donors. All three mutations significantly increased the proportion of 4R tau expression in iPSC-neurons and astrocytes, with up to 80% 4R transcripts in S305N neurons from as early as 4 weeks of differentiation. Transcriptomic and functional analyses of S305 mutant neurons revealed shared disruption in glutamate signaling and synaptic maturity, but divergent effects on mitochondrial bioenergetics. In iPSC-astrocytes, S305 mutations induced lysosomal disruption and inflammation and exacerbated internalization of exogenous tau that may be a precursor to the glial pathologies observed in many tauopathies. In conclusion, we present a novel panel of human iPSC lines that express unprecedented levels of 4R tau in neurons and astrocytes. These lines recapitulate previously characterized tauopathy-relevant phenotypes, but also highlight functional differences between the wild type 4R and mutant 4R proteins. We also highlight the functional importance of MAPT expression in astrocytes. These lines will be highly beneficial to tauopathy researchers enabling a more complete understanding of the pathogenic mechanisms underlying 4R tauopathies across different cell types.