Summary

 Cerebral organoids, three-dimensional cultures that model organogenesis, provide a new platform to investigate human brain development. High cost, variability, and tissue heterogeneity limit their broad applications. Here, we developed a miniaturized spinning bioreactor (SpinΩ) to generate forebrain-specific organoids from human iPSCs. These organoids recapitulate key features of human cortical development, including progenitor zone organization, neurogenesis, gene expression, and, notably, a distinct human-specific outer radial glia cell layer. We also developed protocols for midbrain and hypothalamic organoids. Finally, we employed the forebrain organoid platform to model Zika virus (ZIKV) exposure. Quantitative analyses revealed preferential, productive infection of neural progenitors with either African or Asian ZIKV strains. ZIKV infection leads to increased cell death and reduced proliferation, resulting in decreased neuronal cell-layer volume resembling microcephaly. Together, our brain-region-specific organoids and SpinΩ provide an accessible and versatile platform for modeling human brain development and disease and for compound testing, including potential ZIKV antiviral drugs.

Summary

 The suspected link between infection by Zika virus (ZIKV), a re-emerging flavivirus, and microcephaly is an urgent global health concern. The direct target cells of ZIKV in the developing human fetus are not clear. Here we show that a strain of the ZIKV, MR766, serially passaged in monkey and mosquito cells efficiently infects human neural progenitor cells (hNPCs) derived from induced pluripotent stem cells. Infected hNPCs further release infectious ZIKV particles. Importantly, ZIKV infection increases cell death and dysregulates cell-cycle progression, resulting in attenuated hNPC growth. Global gene expression analysis of infected hNPCs reveals transcriptional dysregulation, notably of cell-cycle-related pathways. Our results identify hNPCs as a direct ZIKV target. In addition, we establish a tractable experimental model system to investigate the impact and mechanism of ZIKV on human brain development and provide a platform to screen therapeutic compounds.

Somatic stem cells contribute to tissue ontogenesis, homeostasis, and regeneration through sequential processes. Systematic molecular analysis of stem cell behavior is challenging because classic approaches cannot resolve cellular heterogeneity or capture developmental dynamics. Here we provide a comprehensive resource of single-cell transcriptomes of adult hippocampal quiescent neural stem cells (qNSCs) and their immediate progeny. We further developed Waterfall, a bioinformatic pipeline, to statistically quantify singe-cell gene expression along a de novo reconstructed continuous developmental trajectory. Our study reveals molecular signatures of adult qNSCs, characterized by active niche signaling integration and low protein translation capacity. Our analyses further delineate molecular cascades underlying qNSC activation and neurogenesis initiation, exemplified by decreased extrinsic signaling capacity, primed translational machinery, and regulatory switches in transcription factors, metabolism, and energy sources. Our study reveals the molecular continuum underlying adult neurogenesis and illustrates how Waterfall can be used for single-cell omics analyses of various continuous biological processes.

It is generally believed that late-phase long-term potentiation (L-LTP) and long-term memory (LTM) require new protein synthesis. Although the full complement of proteins mediating the long-lasting changes in synaptic efficacy have yet to be identified, several lines of evidence point to a crucial role for activity-induced brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression in generating sustained structural and functional changes at hippocampal synapses thought to underlie some forms of LTM. In particular, BDNF is sufficient to induce the transformation of early to late-phase LTP in the presence of protein synthesis inhibitors, and inhibition of BDNF signaling impairs LTM. Despite solid evidence for a critical role of BDNF in L-LTP and LTM, many issues are not resolved. Given that BDNF needs to be processed in Golgi outposts localized at the branch point of one or few dendrites, a conceptually challenging problem is how locally synthesized BDNF in dendrites could ensure synapse-specific modulation of L-LTP. An interesting alternative is that BDNF–TrkB signaling is involved in synaptic tagging, a prominent hypothesis that explains how soma-derived protein could selectively modulate the tetanized (tagged) synapse. Finally, specific roles of BDNF in the acquisition, retention or extinction of LTM remain to be established.

Glioblastomas exhibit vast inter- and intra-tumoral heterogeneity, complicating the development of effective therapeutic strategies. Current in vitro models are limited in preserving the cellular and mutational diversity of parental tumors and require a prolonged generation time. Here, we report methods for generating and biobanking patient-derived glioblastoma organoids (GBOs) that recapitulate the histological features, cellular diversity, gene expression, and mutational profiles of their corresponding parental tumors. GBOs can be generated quickly with high reliability and exhibit rapid, aggressive infiltration when transplanted into adult rodent brains. We further demonstrate the utility of GBOs to test personalized therapies by correlating GBO mutational profiles with responses to specific drugs and by modeling chimeric antigen receptor T cell immunotherapy. Our studies show that GBOs maintain many key features of glioblastomas and can be rapidly deployed to investigate patient-specific treatment strategies. Additionally, our live biobank establishes a rich resource for basic and translational glioblastoma research.

In response to the current global health emergency posed by the Zika virus (ZIKV) outbreak and its link to microcephaly and other neurological conditions, we performed a drug repurposing screen of ∼6,000 compounds that included approved drugs, clinical trial drug candidates and pharmacologically active compounds; we identified compounds that either inhibit ZIKV infection or suppress infection-induced caspase-3 activity in different neural cells. A pan-caspase inhibitor, emricasan, inhibited ZIKV-induced increases in caspase-3 activity and protected human cortical neural progenitors in both monolayer and three-dimensional organoid cultures. Ten structurally unrelated inhibitors of cyclin-dependent kinases inhibited ZIKV replication. Niclosamide, a category B anthelmintic drug approved by the US Food and Drug Administration, also inhibited ZIKV replication. Finally, combination treatments using one compound from each category (neuroprotective and antiviral) further increased protection of human neural progenitors and astrocytes from ZIKV-induced cell death. Our results demonstrate the efficacy of this screening strategy and identify lead compounds for anti-ZIKV drug development.

Generation and neural differentiation of induced pluripotent stem cells (iPS cells) from patients enables new ways to investigate the cellular pathophysiology of mental disorders; this approach was used with samples from a family with a schizophrenia pedigree and a DISC1 mutation, revealing synaptic abnormalities and large-scale transcriptional dysregulation. Although altered synaptic function and development are believed to underlie psychiatric disorders such as schizophrenia, evidence from human brains has been largely indirect. In vitro models derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) provide a promising means of study, but the genetic variability and complexity of many psychiatric disorders is a major source of difficulty in interpretation of phenotypes. Hongjun Song and colleagues generate iPSCs from members of a single family in which carriers of mutations in the DISC1 gene are linked to psychiatric disorders. They confirm that neurons carrying mutant DISC1 have synaptic dysfunction, and that these deficits can not only be rescued by correcting the mutation, but also recapitulated in control neurons by introducing the mutation with genome editing. Dysregulated neurodevelopment with altered structural and functional connectivity is believed to underlie many neuropsychiatric disorders1, and ‘a disease of synapses’ is the major hypothesis for the biological basis of schizophrenia2. Although this hypothesis has gained indirect support from human post-mortem brain analyses2,3,4 and genetic studies5,6,7,8,9,10, little is known about the pathophysiology of synapses in patient neurons and how susceptibility genes for mental disorders could lead to synaptic deficits in humans. Genetics of most psychiatric disorders are extremely complex due to multiple susceptibility variants with low penetrance and variable phenotypes11. Rare, multiply affected, large families in which a single genetic locus is probably responsible for conferring susceptibility have proven invaluable for the study of complex disorders. Here we generated induced pluripotent stem (iPS) cells from four members of a family in which a frameshift mutation of disrupted in schizophrenia 1 (DISC1) co-segregated with major psychiatric disorders12 and we further produced different isogenic iPS cell lines via gene editing. We showed that mutant DISC1 causes synaptic vesicle release deficits in iPS-cell-derived forebrain neurons. Mutant DISC1 depletes wild-type DISC1 protein and, furthermore, dysregulates expression of many genes related to synapses and psychiatric disorders in human forebrain neurons. Our study reveals that a psychiatric disorder relevant mutation causes synapse deficits and transcriptional dysregulation in human neurons and our findings provide new insight into the molecular and synaptic etiopathology of psychiatric disorders.

Parvalbumin-expressing interneurons regulate the activation and fate choice of adult neural stem cells. The mammalian brain is capable of generating new nerve cells into adulthood and has a number of specialized stem-cell niches for the purpose. Previous studies have examined the mechanisms that regulate the late stages of adult neurogenesis, but little is known about how quiescent neural stem cells are regulated. Here, Juan Song and colleagues use genetic and optogenetic methods to demonstrate a role for parvalbumin-expressing (PV1) interneurons, but not other inhibitory neuron subtypes, in driving fate decisions for radial glia-like quiescent neural stem cells in the adult mouse hippocampus. The study identifies a niche cell–signal–receptor trio and local circuits that provide a mechanism through which quiescent adult neural stem cells can undergo activation and self-renewal in response to neuronal activity and experience. Adult neurogenesis arises from neural stem cells within specialized niches1,2,3. Neuronal activity and experience, presumably acting on this local niche, regulate multiple stages of adult neurogenesis, from neural progenitor proliferation to new neuron maturation, synaptic integration and survival1,3. It is unknown whether local neuronal circuitry has a direct impact on adult neural stem cells. Here we show that, in the adult mouse hippocampus, nestin-expressing radial glia-like quiescent neural stem cells4,5,6,7,8,9 (RGLs) respond tonically to the neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) by means of γ2-subunit-containing GABAA receptors. Clonal analysis9 of individual RGLs revealed a rapid exit from quiescence and enhanced symmetrical self-renewal after conditional deletion of γ2. RGLs are in close proximity to terminals expressing 67-kDa glutamic acid decarboxylase (GAD67) of parvalbumin-expressing (PV+) interneurons and respond tonically to GABA released from these neurons. Functionally, optogenetic control of the activity of dentate PV+ interneurons, but not that of somatostatin-expressing or vasoactive intestinal polypeptide (VIP)-expressing interneurons, can dictate the RGL choice between quiescence and activation. Furthermore, PV+ interneuron activation restores RGL quiescence after social isolation, an experience that induces RGL activation and symmetrical division8. Our study identifies a niche cell–signal–receptor trio and a local circuitry mechanism that control the activation and self-renewal mode of quiescent adult neural stem cells in response to neuronal activity and experience.