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 An adaptive stress response involves various mediators and circuits orchestrating a complex interplay of physiological, emotional and behavioural adjustments. We identified a population of corticotropin-releasing hormone (CRH) neurons in the lateral part of the interstitial nucleus of the anterior commissure (IPACL) – a subdivision of the extended amygdala, which exclusively innervate the substantia nigra (SN). Specific stimulation of this circuit elicits arousal and avoidance behaviour contingent on CRH receptor 1 (CRHR1) located at axon terminals in the SN, which originate from external globus pallidus (GPe) neurons. The neuronal activity prompting the observed behaviour is shaped by IPACL CRH and GPe CRHR1 neurons coalescing in the SN. These results delineate a novel tripartite CRH circuit functionally connecting extended amygdala and basal ganglia nuclei to drive arousal and avoidance behaviour. One-Sentence Summary Brain centres involved in emotional and motor control are connected through a stress peptide promoting arousal and avoidance behaviour

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.

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.

Cellular reprogramming through manipulation of defined factors holds great promise for large-scale production of cell types needed for use in therapy, as well as for expanding our understanding of the general principles of gene regulation. MYOD-mediated myogenic reprogramming, which converts many cell types into contractile myotubes, remains one of the best characterized model system for direct conversion by defined factors. However, why MYOD can efficiently convert some cell types into myotubes but not others remains poorly understood. Here, we analyze MYOD-mediated reprogramming of human fibroblasts at pseudotemporal resolution using single-cell RNA-Seq. Successfully reprogrammed cells navigate a trajectory with two branches that correspond to two barriers to reprogramming, with cells that select incorrect branches terminating at aberrant or incomplete reprogramming outcomes. Differential analysis of the major branch points alongside alignment of the successful reprogramming path to a primary myoblast trajectory revealed Insulin and BMP signaling as crucial molecular determinants of an individual cell's reprogramming outcome, that when appropriately modulated, increased efficiency more than five-fold. Our single-cell analysis reveals that MYOD is sufficient to reprogram cells only when the extracellular milieu is favorable, supporting MYOD with upstream signaling pathways that drive normal myogenesis in development.

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 PTBP2 as a critical trans-acting factor mediating 3'APA of synaptic genes in SCZ subjects. Functional characterization of PTBP2 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.