Astrocytes are ubiquitous in the brain and are widely held to be largely identical. However, this view has not been fully tested, and the possibility that astrocytes are neural circuit specialized remains largely unexplored. Here, we used multiple integrated approaches, including RNA sequencing (RNA-seq), mass spectrometry, electrophysiology, immunohistochemistry, serial block-face-scanning electron microscopy, morphological reconstructions, pharmacogenetics, and diffusible dye, calcium, and glutamate imaging, to directly compare adult striatal and hippocampal astrocytes under identical conditions. We found significant differences in electrophysiological properties, Ca2+ signaling, morphology, and astrocyte-synapse proximity between striatal and hippocampal astrocytes. Unbiased evaluation of actively translated RNA and proteomic data confirmed significant astrocyte diversity between hippocampal and striatal circuits. We thus report core astrocyte properties, reveal evidence for specialized astrocytes within neural circuits, and provide new, integrated database resources and approaches to explore astrocyte diversity and function throughout the adult brain.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI0OGY5MjVkMzgwOGU0NTkwZGMzNTRhMjQwZjZkMWM0OCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc3ODAzMzg0fQ.MwSBbMAp8Z94bVovEvEtEK9rSaCme1FWQaVStp6O8krax6PBRClksqtYhGWrI6xK8ct9tTpHJOavNya9agX01pfBV5Xv2_BxcAlr-eYdkIlnW6ddiNKQ9_7eEHZulgpmyVbQq2DLjKc1qNoV1ABBLI5qYU4yHQPnu-EI2_RASm5h1NErzRmbGIHeglc9V82L8hZBX8NyvUw74JxMPzvU4cgxuX5JBvnXBUOvw2oTkF0oPeBvpSchW6EKQzen4Skxhu-LXb5aAa3LkCMU3JhcCep28BCCVsKkV1kx3RuXhdJgkWD2ucI-70LBWqUvhtG-49ThFs0TB8dIBr74DrFLKA(mp4, (55.46 MB) Download video

Abstract The intestine is a complex organ that promotes digestion, extracts nutrients, participates in immune surveillance, maintains critical symbiotic relationships with microbiota and affects overall health 1 . The intesting has a length of over nine metres, along which there are differences in structure and function 2 . The localization of individual cell types, cell type development trajectories and detailed cell transcriptional programs probably drive these differences in function. Here, to better understand these differences, we evaluated the organization of single cells using multiplexed imaging and single-nucleus RNA and open chromatin assays across eight different intestinal sites from nine donors. Through systematic analyses, we find cell compositions that differ substantially across regions of the intestine and demonstrate the complexity of epithelial subtypes, and find that the same cell types are organized into distinct neighbourhoods and communities, highlighting distinct immunological niches that are present in the intestine. We also map gene regulatory differences in these cells that are suggestive of a regulatory differentiation cascade, and associate intestinal disease heritability with specific cell types. These results describe the complexity of the cell composition, regulation and organization for this organ, and serve as an important reference map for understanding human biology and disease.

ABSTRACT Dysregulation of the RNA polymerase III (Pol III) transcription program, which synthesizes tRNA and other classes of small noncoding RNA critical for cell growth and proliferation, is associated with cancer and human disease. Previous studies have identified two distinct Pol III isoforms defined by the incorporation of either subunit POLR3G (RPC7α) during early development, or POLR3GL (RPC7β) in specialized tissues. Though POLR3G is re-established in cancer and immortalized cell lines, the contributions of these isoforms to transcription potential and transcription dysregulation in cancer remain poorly defined. Using an integrated Pol III genomic profiling approach in combination with in vitro differentiation and subunit disruption experiments, we discover that loss of subunit POLR3G is accompanied by a restricted repertoire of genes transcribed by Pol III. In particular, we observe that a specific class of small noncoding RNA, SNAR-A , is exquisitely sensitive to the availability of subunit POLR3G in proliferating cells. Taken further, large-scale analysis of Pol III subunit expression and downstream chromatin features identifies concomitant loss of POLR3G and SNAR-A activity across a multitude of differentiated primary immune cell lineages, and conversely, coordinate re-establishment of POLR3G expression and SNAR-A features in a variety of human cancers. These results altogether argue against strict redundancy models for subunits POLR3G and POLR3GL, and instead support a model in which Pol III identity itself functions as an important transcriptional regulatory mechanism. Upregulation of POLR3G, which is driven by MYC, identifies a subgroup of patients with unfavorable survival outcomes in specific cancers, further implicating the POLR3G-enhanced transcription repertoire as a potential disease factor.

Polygenic risk scores (PRSs) are commonly used for predicting an individual's genetic risk of complex diseases. Yet, their implication for disease pathogenesis remains largely limited. Here, we introduce scPRS, a geometric deep learning model that constructs single-cell-resolved PRS leveraging reference single-cell chromatin accessibility profiling data to enhance biological discovery as well as disease prediction. Real-world applications across multiple complex diseases, including type 2 diabetes (T2D), hypertrophic cardiomyopathy (HCM), and Alzheimer's disease (AD), showcase the superior prediction power of scPRS compared to traditional PRS methods. Importantly, scPRS not only predicts disease risk but also uncovers disease-relevant cells, such as hormone-high alpha and beta cells for T2D, cardiomyocytes and pericytes for HCM, and astrocytes, microglia and oligodendrocyte progenitor cells for AD. Facilitated by a layered multi-omic analysis, scPRS further identifies cell-type-specific genetic underpinnings, linking disease-associated genetic variants to gene regulation within corresponding cell types. We substantiate the disease relevance of scPRS-prioritized HCM genes and demonstrate that the suppression of these genes in HCM cardiomyocytes is rescued by Mavacamten treatment. Additionally, we establish a novel microglia-specific regulatory relationship between the AD risk variant rs7922621 and its target genes ANXA11 and TSPAN14 . We further illustrate the detrimental effects of suppressing these two genes on microglia phagocytosis. Our work provides a multi-tasking, interpretable framework for precise disease prediction and systematic investigation of the genetic, cellular, and molecular basis of complex diseases, laying the methodological foundation for single-cell genetics.

Abstract BACKGROUND There is growing evidence that pathogenic mutations do not fully explain hypertrophic (HCM) or dilated (DCM) cardiomyopathy phenotypes. We hypothesized that if a patient’s genetic background was influencing cardiomyopathy this should be detectable as signatures in gene expression. We built a cardiomyopathy biobank resource for interrogating personalized genotype phenotype relationships in human cell lines. METHODS We recruited 308 diseased and control patients for our cardiomyopathy stem cell biobank. We successfully reprogrammed PBMCs (peripheral blood mononuclear cells) into induced pluripotent stem cells (iPSCs) for 300 donors. These iPSCs underwent whole genome sequencing and were differentiated into cardiomyocytes for RNA-seq. In addition to annotating pathogenic variants, mutation burden in a panel of cardiomyopathy genes was assessed for correlation with echocardiogram measurements. Line-specific co-expression networks were inferred to evaluate transcriptomic subtypes. Drug treatment targeted the sarcomere, either by activation with omecamtiv mecarbil or inhibition with mavacamten, to alter contractility. RESULTS We generated an iPSC biobank from 300 donors, which included 101 individuals with HCM and 88 with DCM. Whole genome sequencing of 299 iPSC lines identified 78 unique pathogenic or likely pathogenic mutations in the diseased lines. Notably, only DCM lines lacking a known pathogenic or likely pathogenic mutation replicated a finding in the literature for greater nonsynonymous SNV mutation burden in 102 cardiomyopathy genes to correlate with lower left ventricular ejection fraction in DCM. We analyzed RNA-sequencing data from iPSC-derived cardiomyocytes for 102 donors. Inferred personalized co-expression networks revealed two transcriptional subtypes of HCM. The first subtype exhibited concerted activation of the co-expression network, with the degree of activation reflective of the disease severity of the donor. In contrast, the second HCM subtype and the entire DCM cohort exhibited partial activation of the respective disease network, with the strength of specific gene by gene relationships dependent on the iPSC-derived cardiomyocyte line . ADCY5 was the largest hubnode in both the HCM and DCM networks and partially corrected in response to drug treatment. CONCLUSIONS We have a established a stem cell biobank for studying cardiomyopathy. Our analysis supports the hypothesis the genetic background influences pathologic gene expression programs and support a role for ADCY5 in cardiomyopathy.

Abstract Although 3D genome architecture can be essential for gene regulation, the biological implications of long-range chromatin interactions in disease remain elusive. In this study, we traced the early evolution and malignant transformation of colorectal cancer by generating high-resolution chromatin conformation maps of 33 colon samples spanning different stages of early neoplastic growth from polyps of Familial Adenomatous Polyposis (FAP) patients. Our analysis reveals a substantial progressive loss of genome-wide cis-regulatory connectivity at early stages of malignancy, which correlates with a non-linear effect on gene regulation. Genes with high promoter-enhancer (P-E) connectivity in unaffected mucosa are not correlated with elevated baseline expression, but instead tend to be up-regulated at advanced stages. Inhibition of highly connected promoters preferentially represses gene expression in colorectal cancer cells relative to normal colonic epithelial cells. Our results suggest a two-phase model whereby neoplastic transformation reduces P-E connectivity from a redundant state to a rate-limiting one for transcriptional levels. Overall, our study illuminates the intricate interplay between 3D genome architecture and gene regulation during early colorectal cancer progression, and provides valuable insights for potential therapeutic interventions targeting the connectivity of cis-regulatory elements.