Multiple sclerosis (MS) is characterized by an immune system attack targeting myelin, which is produced by oligodendrocytes (OLs). We performed single-cell transcriptomic analysis of OL lineage cells from the spinal cord of mice induced with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), which mimics several aspects of MS. We found unique OLs and OL precursor cells (OPCs) in EAE and uncovered several genes specifically alternatively spliced in these cells. Surprisingly, EAE-specific OL lineage populations expressed genes involved in antigen processing and presentation via major histocompatibility complex class I and II (MHC-I and -II), and in immunoprotection, suggesting alternative functions of these cells in a disease context. Importantly, we found that disease-specific oligodendroglia are also present in human MS brains and that a substantial number of genes known to be susceptibility genes for MS, so far mainly associated with immune cells, are expressed in the OL lineage cells. Finally, we demonstrate that OPCs can phagocytose and that MHC-II-expressing OPCs can activate memory and effector CD4-positive T cells. Our results suggest that OLs and OPCs are not passive targets but instead active immunomodulators in MS. The disease-specific OL lineage cells, for which we identify several biomarkers, may represent novel direct targets for immunomodulatory therapeutic approaches in MS.

Multiple sclerosis (MS) is a disease characterized by a targeted immune attack on myelin in the central nervous system (CNS). We have previously shown that oligodendrocytes (OLs), myelin producing cells in the CNS, and their precursors (OPCs), ac-quire disease-specific transcriptional states in MS 1,2 . To under-stand how these alternative transcriptional programs are acti-vated in disease, we performed single-cell assay for transposase accessible chromatin using sequencing (scATAC-seq) on the OL lineage in the experimental autoimmune encephalomyeli-tis (EAE) mouse model of MS. We identified regulatory regions with increased accessibility in oligodendroglia (OLG) in EAE, some of which in the proximity of immune genes. A similar re-modeling of chromatin accessibility was observed upon treat-ment of postnatal OPCs with interferon-gamma (IFN γ ), but not with dexamethasone. These changes in accessibility were not exclusive to distal enhancers, but also occurred at promoter re-gions, suggesting a role for promoters in mediating cell-state transitions. Notably, we found that a subset of immune genes al-ready exhibited chromatin accessibility in OPCs ex vivo and in vivo, suggesting a primed chromatin state in OLG compatible with rapid transitions to an immune-competent state. Several primed genes presented bivalency of H3K4me3 and H3K27me3 at promoters in OPCs, with loss of H3K27me3 upon IFN γ treatment. Inhibition of JMJD3/ Kdm6b , mediating removal of H3K27me3, led to the inability to activate these genes upon IFN γ treatment. Importantly, OLGs from the adult human brain showed chromatin accessibility at immune gene loci, par-ticularly at MHC-I pathway genes. A subset of single-nucleotide polymorphisms (SNPs) associated with MS susceptibility over-lapped with these primed regulatory regions in OLG from both mouse and human CNS. Our data suggest that susceptibility for MS may involve activation of immune gene programs in OLG. These programs are under tight control at the chromatin level in OLG and may therefore constitute novel targets for immunological-based therapies for MS.

Oligodendrogenesis in the human central nervous system has been mainly observed at the second trimester of gestation, a much later developmental stage compared to mouse. Here we characterize the transcriptomic neural diversity in the human forebrain at post conceptual weeks (PCW) 8 to 10, using single-cell RNA-Seq. We find evidence of the emergence of a first wave of oligodendrocyte lineage cells as early as PCW 8, which we also confirm at the epigenomic level with single-cell ATAC-Seq. Using regulatory network inference, we predict key transcriptional events leading to the specification of oligodendrocyte precursor cells (OPCs). Moreover, by profiling the spatial expression of fifty key genes using In Situ Sequencing (ISS), we identify regions in the human ventral fetal forebrain where oligodendrogenesis first occurs. Our results indicate evolutionary conservation of the first wave of oligodendrogenesis between mouse and human and describe regulatory mechanisms required for human OPC specification.

Abstract Multiple sclerosis ( MS ) is a chronic demyelinating autoimmune disease that targets mature oligodendrocytes (MOLs ) and their myelin. MOLs are transcriptionally heterogeneous and can transition to immune-like states in the context of MS. However, the intricacies of their dynamics throughout disease progression remain poorly understood. Here, we employed simultaneous single-cell multiome ATAC and RNA sequencing targeting oligodendroglia ( OLGs ) from the experimental autoimmune encephalomyelitis ( EAE ) MS mouse model at different stages of the disease course. We found that the transition to immune OLG states appear already at the early stages of EAE and persist to the late stages of the disease. Interestingly, transcription factor activity suggested immunosuppression in MOLs at early stages of EAE and we also observed a transitory activation of a regenerative program in MOLs at this stage. Importantly, different MOLs exhibit a differential responsiveness to EAE, with MOL2 exhibiting a stronger transcriptional immune response than MOL5/6. Moreover, we observed divergent responses at the epigenetic level of MOL2 and MOL5/6 during disease evolution. Thus, our single-cell multiomic resource highlights dynamic and distinct responses of OLG subpopulations to the evolving environment in EAE, which might modulate their response to regenerative therapeutic interventions in MS.

Citrullination, the deimination of arginine residues into citrulline, has been implicated in the aetiology of several diseases. In multiple sclerosis (MS), citrullination is thought to be a major driver of pathology, through hypercitrullination and destabilization of myelin. As such, inhibition of citrullination has been suggested as a therapeutic strategy for MS. Here, in contrast, we show citrullination by peptidylarginine deiminase 2 (PADI2) is required for normal oligodendrocyte differentiation, myelination and motor function. We identify several targets for PADI2, including myelin-related proteins and chromatin-associated proteins, implicating PADI2 in epigenetic regulation. Accordingly, we observe that PADI2 inhibition and its knockdown affect chromatin accessibility and prevent the upregulation of oligodendrocyte differentiation genes. Moreover, mice lacking PADI2, display motor dysfunction and decreased number of myelinated axons in the corpus callosum. We conclude that citrullination is required for oligodendrocyte lineage progression and myelination and suggest its targeted activation in the oligodendrocyte lineage might be beneficial in the context of remyelination.

Neurons and oligodendrocytes are terminally differentiated cells that perform highly specialized functions, which depend on cascades of gene activation and repression to retain homeostatic control over a lifespan. Gene expression is regulated by three-dimensional (3D) genome organisation, from local levels of chromatin compaction to the organisation of topological domains and chromosome compartments. Whereas our understanding of 3D genome architecture has vastly increased in the past decade, it remains difficult to study specialized cells in their native environment without disturbing their activity. To develop the application of Genome Architecture Mapping (GAM) in small numbers of specialized cells in complex tissues, we combined GAM with immunoselection. We applied immunoGAM to map the genome architecture of specific cell populations in the juvenile/adult mouse brain: dopaminergic neurons (DNs) from the midbrain, pyramidal glutamatergic neurons (PGNs) from the hippocampus, and oligodendrocyte lineage cells (OLGs) from the cortex. We integrate 3D genome organisation with single-cell transcriptomics data, and find specific chromatin structures that relate with cell-type specific patterns of gene expression. We discover abundant changes in compartment organisation, especially a strengthening of heterochromatin compartments which establish strong contacts spanning tens of megabases, especially in brain cells. These compartments contain olfactory and taste receptor genes, which are de-repressed in a subpopulation of PGNs with molecular signatures of long-term potentiation (LTP). We also show extensive reorganisation of topological domains where activation of neuronal or oligodendrocyte genes coincides with formation of new TAD borders. Finally, we discover loss of TAD organisation, or 'TAD melting', at long (>1Mb) neuronal genes when they are most highly expressed. Our work shows that the 3D organisation of the genome is highly cell-type specific in terminally differentiated cells of the brain, and essential to better understand brain-specific mechanisms of gene regulation.

Pdgfra+ oligodendrocyte precursor cells (OPCs) arise in distinct specification waves during embryogenesis in the central nervous system (CNS). It is unclear whether there is a correlation between these waves and different transcriptional oligodendrocyte (OL) states at adult stages. Here we present a bulk and single-cell transcriptomics resource providing insights on how transitions between these states occur. We show that E13.5 Pdgfra+ populations are not OPCs, exhibiting instead hallmarks of neural progenitors. A subset of these progenitors, which we refer as pre-OPCs, rewires their transcriptional landscape, converging into indistinguishable OPC states at E17.5 and post-natal stages. P7 brain and spinal cord OPCs present similar transcriptional profiles at the single-cell level, indicating that OPC states are not region-specific. Postnatal OPC progeny of E13.5 Pdgfra+ have electrophysiological and transcriptional profiles similar to OPCs derived from subsequent specification waves. In addition, lineage tracing indicates that a subset of E13.5 Pdgfra+ cells also originate cells of the pericyte lineage. In summary, our results indicate that embryonic Pdgfra+ cells are diverse and give rise at post-natal stages to distinct cell lineages, including OPCs with convergent transcriptional profiles in different CNS regions.

Abstract The adult human central nervous system (CNS) is remarkably complex, with neural cells displaying extensive transcriptional heterogeneity. However, how different layers of epigenetic regulation underpin this heterogeneity is poorly understood. Here, we profile the adult human CNS from distinct regions, for chromatin accessibility at the single-nuclei level. In addition, we simultaneously co-profiled the histone modifications H3K27me3 and H3K27ac at the single nuclei-level, providing their first map in all major human CNS cell types. We unveil primed chromatin signatures at HOX loci in spinal cord-derived human oligodendroglia (OLG) but not microglia. These signatures were reminiscent of developmental OLG but were decoupled from robust gene expression. Moreover, using high-resolution Micro-C, we show that induced pluripotent stem cell (iPS) derived human OLGs exhibit a HOX chromatin architecture compatible with the primed chromatin in adult OLGs, and bears a strong resemblance not only to OLG developmental architecture, but also high-grade pontine gliomas. Thus, adult OLG retain epigenetic memory from developmental states, which might enable them to promptly transcribe Hox genes, in contexts of regeneration, but also make them susceptible to gliomagenesis.