Summary Human genetic studies have provided a wealth of information on genetic risk factors associated with neuropsychiatric diseases. However, whether different brain cell types are differentially affected in disease states and when in their development and maturation alterations occur is still poorly understood. Here we generated a longitudinal transcriptional map of excitatory projection neuron (PN) and inhibitory interneuron (IN) subtypes of the cerebral cortex, across a timeline of mouse embryonic and postnatal development, as well as fetal human cortex and human cortical organoids. We found that three types of gene signatures uniquely defined each cortical neuronal subtype: dynamic (developmental), adult (terminal), and constitutive (stable), with individual neuronal subtypes varying in the degree of similarity of their signatures between species. In particular, human callosal projection neurons (CPN) displayed the greatest species divergence, with molecular signatures highly enriched for non-coding, human-specific RNAs. Evaluating the association of neuronal class-specific signatures with neuropsychiatric disease risk genes using linkage disequilibrium score regression showed that schizophrenia risk genes were enriched in CPN identity signatures from human but not mouse cortex. Human cortical organoids confirmed the association with excitatory projection neurons. The data indicate that risk gene enrichment is both species- and cell type-specific. Our study reveals molecular determinants of cortical neuron diversification and identifies human callosal projection neurons as the most species-divergent population and a potentially vulnerable neuronal class in schizophrenia.

Abstract Mammalian neocortical neurons span one of the most diverse cell type spectra of any tissue. The regulatory strategies that neurons use during progressive development and maturation remain unclear. We present an integrated single-cell epigenomic and transcriptional analysis of individual classes of neurons from both mouse and marmoset neocortex, sampled during both early postmitotic stages of identity acquisition and later stages of neuronal plasticity and circuit integration. We find that in both species, the regulatory strategies controlling these early and late stages diverge: early postmitotic neurons use molecular regulatory programs with broader tissue distribution and greater evolutionary conservation, while programs active during later neuronal maturation implement more brain- and neuron-specific mechanisms showing greater evolutionary divergence. The data uncovers a temporally-regulated shift in regulatory choices, likely reflecting unique evolutionary constraints on distinct events of neuronal development in the neocortex.

ABSTRACT Identification and characterisation of novel targets for treatment is a priority in the field of psychiatry. FKBP5 is a gene with decades of evidence suggesting its pathogenic role in a subset of psychiatric patients, with potential to be leveraged as a therapeutic target for these individuals. While it is widely reported that FKBP5 /FKBP51 mRNA/protein ( FKBP5 /1) expression is impacted by psychiatric disease state, risk genotype and age, it is not known in which cell-types and sub-anatomical areas of the human brain this occurs. This knowledge is critical to propel FKBP5 /1-targeted treatment development. Here, we performed an extensive, large-scale postmortem study (n=1024) of FKBP5 /1 examining prefrontal cortex (BA9, BA11, BA24) derived from subjects that lived with schizophrenia, major depression or bipolar disorder. With an extensive battery of RNA (bulk RNA sequencing, single-nucleus RNA sequencing, microarray, qPCR, RNAscope) and protein (immunoblot, immunohistochemistry) analysis approaches, we thoroughly investigated the effects of disease-state, aging and genotype on cortical FKBP5 /1 expression including in a cell-type specific manner. We identified consistently heightened FKBP5 /1 levels in psychopathology and with age, but not genotype, with these effects strongest in schizophrenia. Using single-nucleus RNA sequencing (snRNAseq) and targeted histology, we established that these disease- and aging-effects on FKBP5 /1 expression were most pronounced in excitatory supragranular neurons. We then found that this increase in FKBP5 levels likely impacts on synaptic plasticity, as FKBP5 gex levels strongly and inversely correlated with dendritic mushroom spine density and brain-derived neurotrophic factor ( BDNF ) levels in supragranular neurons. These findings pinpoint a novel cellular and molecular mechanism that has significant potential to open a new avenue of FKBP51 drug development to treat cognitive symptoms in psychiatric disorders.

Abstract Aging is a complex biological process and represents the largest risk factor for neurodegenerative disorders. The risk for neurodegenerative disorders is also increased in individuals with psychiatric disorders. Here, we characterized age-related transcriptomic changes in the brain by profiling ~800,000 nuclei from the orbitofrontal cortex from 87 individuals with and without psychiatric diagnoses and replicated findings in an independent cohort with 32 individuals. Aging affects all cell types, with LAMP5 + LHX6 + interneurons, a cell-type abundant in primates, by far the most affected. Disrupted synaptic transmission emerged as a convergently affected pathway in aged tissue. Age-related transcriptomic changes overlapped with changes observed in Alzheimer’s disease across multiple cell types. We find evidence for accelerated transcriptomic aging in individuals with psychiatric disorders and demonstrate a converging signature of aging and psychopathology across multiple cell types. Our findings shed light on cell-type-specific effects and biological pathways underlying age-related changes and their convergence with effects driven by psychiatric diagnosis.

Schizophrenia (SCZ) is a highly polygenic disease and genome wide association studies have identified thousands of genetic variants that are statistically associated with this psychiatric disorder. However, our ability to translate these associations into insights on the disease mechanisms has been challenging since the causal genetic variants, their molecular function and their target genes remain largely unknown. In order to address these questions, we established a functional genomics pipeline in combination with induced pluripotent stem cell technology to functionally characterize ~35,000 non-coding genetic variants associated with schizophrenia along with their target genes. This analysis identified a set of 620 (1.7%) single nucleotide polymorphisms as functional on a molecular level in a highly cell type and condition specific fashion. These results provide a high-resolution map of functional variant-gene combinations and offer comprehensive biological insights into the developmental context and stimulation dependent molecular processes modulated by SCZ associated genetic variation.

Schizophrenia (SCZ) is a genetically heterogenous psychiatric disorder of highly polygenic nature. Correlative evidence from genetic studies indicate that the aggregated effects of distinct genetic risk factor combinations found in each patient converge onto common molecular mechanisms. To prove this on a functional level, we employed a reductionistic cellular model system for polygenic risk by differentiating induced pluripotent stem cells (iPSCs) from 104 individuals with high polygenic risk load and controls into cortical glutamatergic neurons (iNs). Multi-omics profiling identified widespread differences in alternative polyadenylation (APA) in the 3' untranslated region of many synaptic transcripts between iNs from SCZ patients and healthy donors. On the cellular level, 3'APA was associated with a reduction in synaptic density of iNs. Importantly, differential APA was largely conserved between postmortem human prefrontal cortex from SCZ patients and healthy donors, and strongly enriched for transcripts related to synapse biology. 3'APA was highly correlated with SCZ polygenic risk and affected genes were significantly enriched for SCZ associated common genetic variation. Integrative functional genomic analysis identified the RNA binding protein and SCZ GWAS risk gene PTPB2 as a critical trans-acting factor mediating 3'APA of synaptic genes in SCZ subjects. Functional characterization of PTPB2 in iNs confirmed its key role in 3'APA of synaptic transcripts and regulation of synapse density. Jointly, our findings show that the aggregated effects of polygenic risk converge on 3'APA as one common molecular mechanism that underlies synaptic impairments in SCZ.