Abstract Activation of microglia in the spinal cord following peripheral nerve injury is critical for the development of long-lasting pain hypersensitivity. However, it remains unknown whether distinct microglia subpopulations or states contribute to different stages of pain development and maintenance. We show, using single-cell RNA-sequencing, that nerve injury induces the generation of a male-specific inflammatory microglia subtype, and demonstrate increased proliferation of microglia in males as compared to females. We also show time- and sex-specific transcriptional changes in different microglial subpopulations following injury. Apolipoprotein E ( Apoe ) is the top upregulated gene in microglia at chronic time points after nerve injury in mice and polymorphisms in the APOE gene in humans are associated with chronic pain. Single-cell analysis of human spinal cord microglia reveals a subpopulation with a disease-related transcriptional signature. Our data provide a detailed analysis of transcriptional states of mouse and human spinal cord microglia, and identify a previously unrecognized role for ApoE in neuropathic pain.

Abstract MerTK is a receptor tyrosine kinase that mediates the immunologically silent phagocytic uptake of diverse types of cellular debris. Highly expressed on the surface of microglial cell, MerTK is of importance in brain development, homeostasis, plasticity, and disease. Yet, involvement of this receptor in the clearance of protein aggregates that accumulate with aging and in neurodegenerative diseases has yet to be defined. The current study explored the function of MerTK in the microglial uptake of alpha-synuclein fibrils which play a causative role in the pathobiology of synucleinopathies. Using human primary and induced pluripotent stem cell-derived microglia, the MerTK- dependence of alpha-synuclein fibril internalization was investigated in vitro . Relevance of this pathway to synucleinopathies was assessed by analyzing MerTK expression in patient-derived cells and tissues. Pharmacological inhibition of MerTK and siRNA-mediated MERTK knockdown both caused a decreased rate of alpha-synuclein fibril internalization by human microglia. Consistent with the immunologically silent nature of MerTK-mediated phagocytosis, alpha-synuclein fibril internalization did not induce secretion of pro-inflammatory cytokines from microglia. In addition, burden analysis in two independent patient cohorts revealed a significant association between rare functionally deleterious MERTK variants and Parkinson’s disease in one of the cohorts ( p = 0.002). Accordingly, MERTK expression was significantly upregulated in nigral microglia from Parkinson’s disease/Lewy body dementia patients compared to those from non-neurological control donors in a single-nuclei RNA-sequencing dataset ( p = 5.08 × 10 - 21 ), and MerTK protein expression positively correlated with alpha-synuclein level in human cortex lysates ( p = 0.0029). Taken together, our findings define a novel role for MerTK in mediating the uptake of alpha-synuclein aggregates by human microglia, with possible involvement in limiting alpha-synuclein spread in synucleinopathies such as Parkinson’s disease.

Abstract Efforts to understand microglia function in health and diseases have been hindered by the lack of culture models that recapitulate in situ cellular properties. In recent years, the use of serum-free media with brain-derived growth factors (CSF1R ligands and TGF-β1/2) have been favored for the maintenance of rodent microglia as they promote morphological features observed in situ . Here we study the functional and transcriptomic impacts of such media on human microglia. Media formulation had little impact on microglia transcriptome assessed by RNA sequencing which was sufficient to significantly alter microglia capacity to phagocytose myelin debris and to elicit an inflammatory response to lipopolysaccharide. When compared to immediately ex vivo microglia from the same donors, the addition of fetal bovine serum to culture media, but not growth factors, was found to aid in the maintenance of key signature genes including those involved in phagocytic processes. A phenotypic shift characterized by CSF1R downregulation in culture correlated with a lack of reliance on CSF1R signaling for survival. Consequently, no improvement in cell survival was observed following culture supplementation with CSF1R ligands. Our study provides better understanding of human microglia in culture, with observations that diverge from those previously made in rodent microglia. Graphical abstract

Background: Adult-onset leukoencephalopathy with axonal spheroids and pigmented glia (ALSP) is a primary microgliopathy caused by pathogenic variants in the colony-stimulating factor 1 receptor (CSF1R) gene. Since CSF1R signaling is crucial for microglia development, survival and function, induced pluripotent stem cell-derived microglia (iMGL) represent an excellent tool in studying microglial defects caused by ALSP patient-specific CSF1R variants. Methods: Serial modifications to an existing iMGL protocol were made, including but not limited to changes in growth factor combination to drive microglial differentiation, until successful derivation of microglia-like cells from an ALSP patient carrying a c.2350G > A (p.V784M) CSF1R variant. Using healthy control lines, the quality of the new iMGL protocol was validated through cell yield assessment, measurement of microglia marker expression, transcriptomic comparison to primary microglia, and evaluation of inflammatory and phagocytic activities. Similarly, molecular and functional characterization of the ALSP patient-derived iMGL was carried out in comparison to healthy control iMGL. Results: The newly devised protocol allowed the generation of iMGL with enhanced transcriptomic similarity to primary human microglia and with higher phagocytic and inflammatory competence at ~3-fold greater yield compared to the original protocol. Using this protocol, decreased CSF1R autophosphorylation and cell surface expression was observed in iMGL derived from the ALSP patient compared to those derived from healthy controls. Additionally, ALSP patient-derived iMGL presented a migratory defect accompanying a temporal reduction in purinergic receptor P2Y12 (P2RY12) expression. Finally, ALSP patient-derived cells showed surprisingly high phagocytic capacity, which was associated with higher lysosomal content. Conclusions: We optimized a pre-existing iMGL protocol, generating a powerful tool to study microglial involvement in human neurological diseases. Using the optimized protocol, we have generated for the first time iMGL from an ALSP patient carrying a pathogenic CSF1R variant, with preliminary characterization pointing toward functional alterations in migratory and phagocytic activities.

Conventional polygenic scores derived from genome-wide association studies do not reflect gene networks that code for biological functions. We present an alternative approach creating a biologically informed polygenic score based on the insulin receptor (IR) gene networks in the mesocorticolimbic system and hippocampus that regulate reward sensitivity/inhibitory control and memory, respectively. Across multiple samples (n = 4300) our biologically-informed IR-PRS score showed better prediction of child impulsivity and cognitive performance, as well as risk for early addiction onset and Alzheimer's disease in comparison to conventional polygenic scores for ADHD, addiction and dementia. This novel, biologically-informed approach enables the use of genomic datasets to probe relevant biological processes involved in neural function and disorders.

Vitamin D deficiency is a major environmental risk factor for the development of multiple sclerosis (MS). The major circulating metabolite of vitamin D (25OHD) is converted to the active form (calcitriol) by the hydroxylase enzyme CYP27B1. In MS lesions the tyrosine kinase MerTK expressed by microglia and macrophages regulates phagocytosis of myelin debris and apoptotic cells that can accumulate and inhibit tissue repair and remyelination. We show that calcitriol downregulates MerTK mRNA and protein expression in adult human microglia and monocyte-derived macrophages, thereby inhibiting myelin phagocytosis and apoptotic cell clearance. Proinflammatory myeloid cells express high levels of CYP27B1 compared to homeostatic (TGFb-treated) myeloid cells. Only proinflammatory cells in the presence of TNFa generate calcitriol from 25OHD, resulting in repression of MerTK expression and function. The selective production of calcitriol in proinflammatory myeloid cells leading to downregulation of MerTK-mediated phagocytosis has the potential to reduce the risk for auto-antigen presentation while retaining the phagocytic ability of homeostatic myeloid cells, thereby contributing to inflammation reduction and enhanced tissue repair.

Abstract In Alzheimer’s Disease (AD), activation of the mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway is essential for microglia neuroprotective roles, but it is unclear which mTOR effectors promote these neuroprotective functions. The mTOR complex 1 (mTORC1) inactivates the translation suppressors eukaryotic translation Initiation Factor 4E (eIF4E)-Binding Proteins (4E-BP) to promote mRNA translation. We show that 4E-BP1 inactivation is impaired in microglia under AD-relevant conditions. Depleting 4E-BPs in microglia increases mitochondrial metabolism, suppresses the pro-inflammatory profile, and mitigates amyloid-induced apoptosis. Furthermore, in the cerebrospinal fluid of patients with amyloid pathology, there was a positive association between microglia activation and neurodegeneration, which increases along 4E-BP1 levels. Thus, we propose the engagement mTORC1-4E-BP1 axis as a neuroprotective mechanism and a therapeutic target or biomarker for microglia modulation in AD.

Abstract Acquiring a specific transcriptomic signature of the human and mouse cardiomyocyte (CM) will greatly increase our understanding of their biology and associated diseases that remain the most deadly across the world. In this study, using comprehensive transcriptomic mining of 91 cell types over 877 samples from bulk RNA-sequencing, single cell RNA-sequencing, and microarray techniques, we describe a unique 118-gene signature of human and mouse primary CMs. Once we had access to this CM-specific gene signature, we investigated the spatial heterogeneity of CMs throughout the heart tissue. Moreover, we compared the CM-specific gene signature to that of CMs derived from 10 differentiation protocols, and we identified the protocols that generate cells most similar to primary CMs. Finally, we looked at the specific differences between primary and differentiated CMs and found that differentiated cells underexpress genes related to CM development and maturity. The differentiated cells conversely overexpressed cell cycle-related genes, resulting in the progenitor features that remain in differentiated CMs compared to primary adult CMs. The presence of histone post translational modification H3K27ac from ChIP sequencing data sets were used to confirm transcriptomic findings. To the best of our knowledge, this is the most comprehensive study to date that unravels the unique transcriptomic signature of primary and differentiated CMs. This study provides important insights into our understanding of CM biology and the molecular mechanisms that make them such a unique cell type. Moreover, the specific transcriptomic signature of CMs could be used in developmental studies, stem cell therapy, regenerative medicine, and drug screening assays.

SUMMARY Lewy bodies (LBs), rich in α-synuclein, are a hallmark of Parkinson’s disease (PD). Understanding their biogenesis is likely to provide insight into the pathophysiology of PD, yet a cellular model for LB formation remains elusive. The realization that the immune challenge is a trigger for neurodegenerative diseases has been a breakthrough in the understanding of PD. Here, iPSC-derived human dopaminergic (DA) neurons from multiple healthy donors were found to form LB-like inclusions following treatment with α- synuclein preformed fibrils, but only when coupled to an immune challenge (interferon-gamma or interleukin-1 beta) or when co-cultured with activated microglia. Human cortical neurons derived from the same iPSC lines did not form LB-like inclusions. Exposure to interferon-gamma impairs autophagy in a lysosomal-specific manner in vitro, similar to the disruption of proteostasis pathways that contribute to PD. We find that lysosomal membrane proteins LAMP1 and LAMP2 and transcription factors regulating lysosomal biogenesis and function are downregulated in DA but not cortical neurons. Finally, due to the excellent sample preservation afforded by cells compared to post-mortem PD brain tissue, we conclude that the LB-like inclusions in DA neurons are membrane-bound, suggesting they are not limited to the cytoplasmic compartment. In Brief Bayati et al. identify that iPSC-derived dopaminergic neurons undergoing a dual hit treatment of exogenous α-synuclein fibrils and proinflammatory cytokines form Lewy body-like inclusions. The dual hit treatment also led to the downregulation of lysosomal proteins. Characterization of inclusions revealed that inclusions were membrane-bound and LC3B-positive, suggesting they are dysfunctional autophagosomes. Highlights α-synuclein preformed fibril administration coupled with Interferon-gamma exposure leads dopaminergic neurons to form Lewy body-like inclusions Inclusions are filamentous, membranous, and filled with aberrant organelles Impaired autophagic flux and downregulation of TFEB, NRF2, LAMP1, and LAMP2 correlated with inclusion formation Activation of NRF2 through the treatment of neurons with the antioxidant perillaldehyde, prevents inclusion formation

Abstract The enteric nervous system (ENS) comprises a complex network of neurons whereby a subset appears to be dopaminergic, although the characteristics, roles, and implications in disease are less understood. Most investigations relating to enteric dopamine (DA) neurons rely on immunoreactivity to tyrosine hydroxylase (TH) - a rate-limiting enzyme in the production of DA. However, TH immunoreactivity is likely to provide an incomplete picture given previous work has showed that some DA neurons contain little if any TH and its levels tend to be decreased in response to cellular stress. This study herein provides a comprehensive characterization of DA neurons in the gut using a well-accepted reporter mouse line, expressing a fluorescent protein (tdTomato) under control of the DA transporter (DAT) promoter. Our findings confirm a unique localization of DA neurons in the gut and unveil the discrete subtypes of DA neurons in this organ, which we characterized using both immunofluorescence and single-cell transcriptomics, as well as validated using in situ hybridization. We observed distinct subtypes of DAT-tdTomato neurons expressing co-transmitters and modulators across both plexuses; some of them likely co-releasing acetylcholine, while others were positive for a slew of canonical DA markers (TH, VMAT2 and GIRK2). Interestingly, we uncovered a seemingly novel population of DA neurons unique to the ENS which were ChAT/DAT-tdTomato-immunoreactive neurons and were characterised by the expression of Grp , Calcb and Sst . Given the clear heterogeneity of DAergic gut neurons, further investigation is warranted to define their functional signatures and discover any inherent vulnerabilities in disease. Abstract Figure Using a reporter mouse line, expressing a fluorescent protein under control of the dopamine transporter (DAT) promoter, discrete subtypes of dopaminergic neurons were unveiled across the ganglionated plexuses of the gut. A novel subpopulations of enteric DA neurons, expressing genes previously reported involved in dopamine signaling in the brain, exhibit a cholinergic phenotype.