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 Drosophila models for tumorigenesis and metastasis have revealed conserved mechanisms of signaling that are also involved in mammalian cancer. Many of these models use the proliferating tissues of the larval stages of Drosophila development, when tissues are highly mitotically active, or stem cells are abundant. Fewer Drosophila tumorigenesis models use adult animals to initiate tumor formation when many tissues are largely terminally differentiated and postmitotic. The Drosophila accessory glands are prostate-like tissues and a model for some aspects of prostate tumorigenesis using this tissue has been explored. In this model, oncogenic signaling was induced during the proliferative stage of accessory gland development, raising the question of how oncogenic activity would impact the terminally differentiated and postmitotic adult tissue. Here, we show that oncogenic signaling in the adult Drosophila accessory gland leads to activation of a conserved pro-tumorigenic program, similar to that observed in mitotic larval tissues, but in the absence of proliferation. Oncogenic signaling in the adult postmitotic gland leads to tissue hyperplasia with nuclear anaplasia and aneuploidy through endoreduplication, which increases polyploidy and occasionally results in non-mitotic neoplastic-like extrusions. We compare gene expression changes in our Drosophila model with that of endocycling prostate cancer cells induced by chemotherapy, which potentially mediate tumor recurrence after treatment. Similar signaling pathways are activated in the Drosophila gland and endocycling cancer cells, suggesting the adult accessory glands provide a useful model for aspects of prostate cancer progression that do not involve cellular proliferation.

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.