Summary Viral genetic tools to target specific brain cell types in humans and non-genetic model organisms will transform basic neuroscience and targeted gene therapy. Here we used comparative epigenetics to identify thousands of human neuronal subclass-specific putative enhancers to regulate viral tools, and 34% of these were conserved in mouse. We established an AAV platform to evaluate cellular specificity of functional enhancers by multiplexed fluorescent in situ hybridization (FISH) and single cell RNA sequencing. Initial testing in mouse neocortex yields a functional enhancer discovery success rate of over 30%. We identify enhancers with specificity for excitatory and inhibitory classes and subclasses including PVALB, LAMP5, and VIP/LAMP5 cells, some of which maintain specificity in vivo or ex vivo in monkey and human neocortex. Finally, functional enhancers can be proximal or distal to cellular marker genes, conserved or divergent across species, and could yield brain-wide specificity greater than the most selective marker genes.

Abstract Dravet syndrome (DS) is a devastating developmental epileptic encephalopathy marked by treatment-resistant seizures, developmental delay, intellectual disability, motor deficits, and a 10-20% rate of premature death. Most DS patients harbor loss-of-function mutations in one copy of SCN1A , which has been associated with inhibitory neuron dysfunction. Here we developed an interneuron-targeting AAV human SCN1A gene replacement therapy using cell class-specific enhancers. We generated a split-intein fusion form of SCN1A to circumvent AAV packaging limitations and deliver SCN1A via a dual vector approach using cell class-specific enhancers. These constructs produced full-length Na V 1.1 protein and functional sodium channels in HEK293 cells and in brain cells in vivo . After packaging these vectors into enhancer-AAVs and administering to mice, immunohistochemical analyses showed telencephalic GABAergic interneuron-specific and dose-dependent transgene biodistribution. These vectors conferred strong dose-dependent protection against postnatal mortality and seizures in two DS mouse models carrying independent loss-of-function alleles of Scn1a, at two independent research sites, supporting the robustness of this approach. No mortality or toxicity was observed in wild-type mice injected with single vectors expressing either the N-terminal or C-terminal halves of SCN1A , or the dual vector system targeting interneurons. In contrast, nonselective neuronal targeting of SCN1A conferred less rescue against mortality and presented substantial preweaning lethality. These findings demonstrate proof-of-concept that interneuron-specific AAV-mediated SCN1A gene replacement is sufficient for significant rescue in DS mouse models and suggest it could be an effective therapeutic approach for patients with DS.

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.