We developed an automatic morphometric reconstruction pipeline, Pop-Rec, and used it to study the morphologies of cortical cholinergic VIP/ChAT interneurons (VChIs). Cholinergic networks control high cognitive functions, but their local modulation and stress-driven plasticity patterns remained elusive. Reconstructing thousands of local VChIs registered to their exact coordinates in multiple cleared murine cortices highlighted distinct populations of bipolar and multipolar VChIs which differed in their dendritic spatial organization. Following mild unilateral whisker deprivation, Pop-Rec found both ipsi-and contra-lateral VChI dendritic arborization changes. Furthermore, RNA-seq of FACS-sorted VChIs showed differentially expressed dendritic, synapse and axon-modulating transcripts in whisker-deprived mice. Indicating novel steady-state morphological roles, those genes also clustered distinctly in naïve single cell VChIs. This VChIs “morpheome” atlas is the first example of unbiased analysis of neuronal populations and holds the possibility to compare neuronal structure-function relationships across experimental conditions.

Previous work on murine models and human demonstrated global as well as tissue-specific molecular aging trajectories in solid tissues and body fluids 1–8 . Extracellular vesicles like exosomes play a crucial role in communication and information exchange in between such systemic factors and solid tissues 9,10 . We sequenced freely circulating and vesicle-bound small regulatory RNAs in mice at five time points across the average life span from 2 to 18 months. Intriguingly, each small RNA class exhibits unique aging patterns, which showed differential signatures between vesicle-bound and freely circulating molecules. In particular, tRNA fragments showed overall highest correlation with aging which also matched well between sample types, facilitating age prediction with non-negative matrix factorization (86% accuracy). Interestingly, rRNAs exhibited inverse correlation trajectories between vesicles and plasma while vesicle-bound microRNAs (miRNAs) were exceptionally strong associated with aging. Affected miRNAs regulate the inflammatory response and transcriptional processes, and adipose tissues show considerable effects in associated gene regulatory modules. Finally, nanoparticle tracking and electron microscopy suggest a shift from overall many small to fewer but larger vesicles in aged plasma, potentially contributing to systemic aging trajectories and affecting the molecular aging of organs.

Females with Alzheimer's disease (AD) suffer accelerated dementia and loss of cholinergic neurons compared to males, but the underlying mechanisms are unknown. Seeking causal contributors to both these phenomena, we pursued changes in tRNA fragments (tRFs) targeting cholinergic transcripts (CholinotRFs).We analyzed small RNA-sequencing data from the nucleus accumbens (NAc) brain region which is enriched in cholinergic neurons, compared to hypothalamic or cortical tissues from AD brains; and explored small RNA expression in neuronal cell lines undergoing cholinergic differentiation.NAc CholinotRFs of mitochondrial genome origin showed reduced levels that correlated with elevations in their predicted cholinergic-associated mRNA targets. Single cell RNA seq from AD temporal cortices showed altered sex-specific levels of cholinergic transcripts in diverse cell types; inversely, human-originated neuroblastoma cells under cholinergic differentiation presented sex-specific CholinotRF elevations.Our findings support CholinotRFs contributions to cholinergic regulation, predicting their involvement in AD sex-specific cholinergic loss and dementia.

RNA-sequencing analyses are often limited to identifying lowest p-value transcripts, which does not address polygenic phenomena. To overcome this limitation, we developed an integrative approach that combines large scale transcriptomic meta-analysis of patient brain tissues with single-cell sequencing data of CNS neurons, short RNA-sequencing of human male- and female-originated cell lines, and connectomics of transcription factor- and microRNA-interactions with perturbed transcripts. We used this pipeline to analyze cortical transcripts of schizophrenia and bipolar disorder patients. While these pathologies show massive transcriptional parallels, their clinically well-known sexual dimorphisms remain unexplained. Our method explicates the differences between afflicted men and women, and identifies disease-affected pathways of cholinergic transmission and gp130-family neurokine controllers of immune function, interlinked by microRNAs. This approach may open new perspectives for seeking biomarkers and therapeutic targets, also in other transmitter systems and diseases.

Abstract The evolutionary mechanism(s) underlying the expression of novel microRNAs (miRs) are still elusive. To explore this issue, we studied the expression of intronic primate-specific hsa-miR-608, located in the Semaphorin 4G (SEMA4G) gene. Engineered ‘humanized’ mice carrying human miR-608 flanked by 250 bp in the murine Sema4g gene expressed miR-608 in several tissues. Moreover, miR-608 flanked by shortened fragments of its human genome region elevated miR-608 levels by 100-fold in murine and human-originated cells, identifying the 150 nucleotides 5’ to pre-miR-608 as an active promoter. Surprisingly, pulldown of this 5’ sequence revealed tight interaction with ribosomal protein L24 (RPL24), which inhibited miR-608 expression. Furthermore, RPL24 depletion altered the levels of 22 miRs, and we discovered that direct interaction of RPL24 with DDX5, a component of the large microprocessor complex, inhibits pri-miR processing. Moreover, RPL24 depletion resulted in Angiogenin (ANG)-mediated production of 5’-half tRFs in human cells, and altered plant tRF profiles. Expanding previous reports that RPL24 regulates miR processing in Arabidopsis thaliana, we implicate RPL24 in an evolutionarily-conserved regulation of miR processing and tRF production. Abstract Figure

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) involves hepatic accumulation of intracellular lipid droplets via incompletely understood processes. Here, we report distinct and cooperative NAFLD roles of LysTTT-5'tRF transfer RNA fragments and microRNA miR-194-5p. Unlike lean animals, dietary-induced NAFLD mice showed hepatic co-declined LysTTT-5'tRF and miR-194-5p levels, restored following hepatic steatosis-suppressing miR-132 antisense oligonucleotide treatment. Moreover, exposing human-derived Hep G2 cells to oleic acid for 7 days co-suppressed miR-194-5p and LysTTT-5'tRF levels while increasing lipid accumulation. Importantly, transfecting fattened cells with a synthetic LysTTT-5'tRF mimic elevated the metabolic regulator beta-Klotho mRNA levels while declining triglyceride amounts by 30% within 24 hours. In contradistinction, antisense suppression of miR-194-5p induced accumulation of its novel target, the NAFLD-implicated lipid droplet-coating PLIN2 protein. Further, two out of 15 steatosis-alleviating screened drug repurposing compounds, Danazol and Latanoprost elevated miR-194-5p or LysTTT-5'tRF levels. The different yet complementary roles of miR-194-5p and LysTTT-5'tRF offer new insights into the complex roles of small non-coding RNAs and the multiple pathways involved in NAFLD pathogenesis.

Introductory paragraph Overexpression of the longevity gene Klotho prolongs, while its knockout shortens lifespan and impairs cognition via altered fibroblast growth factor signaling that perturbs myelination and synapse formation; however, comprehensive analysis of Klotho’s knockout consequences on mammalian brain transcriptomics is lacking. Here, we report the altered levels under Klotho knockout of 1059 long RNAs, 27 microRNAs (miRs) and 6 tRNA fragments (tRFs), reflecting effects upon aging and cognition. Perturbed transcripts included key neuronal and glial pathway regulators that are notably changed in murine models of aging and Alzheimer’s Disease (AD) and in corresponding human post-mortem brain tissue. To seek cell type distributions of the affected short RNAs, we isolated and FACS-sorted neurons and microglia from live human brain tissue, yielding detailed cell type-specific short RNA-seq datasets. Together, our findings revealed multiple Klotho deficiency-perturbed aging- and neurodegeneration-related long and short RNA transcripts in both neurons and glia from murine and human brain.

Transfer RNA fragments (tRFs) have recently been shown to be an important family of small regulatory RNAs with diverse functions. Recent reports have revealed modified tRF blood levels in a number of nervous system conditions including epilepsy, ischemic stroke and neurodegenerative diseases, but little is known about tRF levels in the cerebrospinal fluid (CSF). To address this issue, we studied age, sex and Parkinsons disease (PD) distributions of tRFs in the CSF and blood data of PD patients and healthy controls from the NIH and the PPMI small RNA-seq datasets. The higher levels of long tRFs were found in the CSF than in the blood. Furthermore, the CSF showed pronounced age-associated declines of the level of 3prime-tRFs and i-tRFs and more pronounced differences between the sexes. Blood showed moderate elevation of 3prime-tFs levels with age. In addition, different distinct sets of tRFs segregated PD patients from controls in the CSF and in the blood. Finally, we found enrichment of tRFs predicted to target cholinergic mRNAs (Cholino-tRFs) in the mitochondrial originated tRFs, raising the possibility that the neurodegeneration-related mitochondrial impairment may lead to deregulation of cholinergic tone. Our findings suggest that CSF expressed tRFs are not a mirror of blood tRFs but rather potentially reflect the cerebral changes. Further, both CSF and blood present modified levels of tRFs in a sex-, age-and disease-related manner, calling for including this important subset of small RNA regulators to future studies.

Rapid advancements in single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) technologies revealed the richness of myriad attributes encompassing cell identity, such as diversity of cell types, organ-of-origin, or developmental stage. However, due to the large scale of the data, obtaining an interpretable compressed representation of cellular states remains a computational challenge. For this task we introduce bioIB, a method based on the Information Bottleneck algorithm, designed to extract an optimal compressed representation of scRNA-seq data with respect to a desired biological signal, such as cell type or disease state. BioIB generates a hierarchy of weighted gene clusters, termed metagenes, that maximize the information regarding the signal of interest. Applying bioIB to a scRNA-seq atlas of differentiating macrophages and setting either the organ-of-origin or the developmental stage as the signal of interest provided two distinct signal-specific sets of metagenes that captured the attributes of the respective signal. BioIB's representation can also be used to expose specific cellular subpopulations, for example, when applied to a single-nucleus RNA-sequencing dataset of an Alzheimer's Disease mouse model, it identified a subpopulation of disease-associated astrocytes. Lastly, the hierarchical structure of metagenes revealed interconnections between the corresponding biological processes and cellular populations. We demonstrate this over hematopoiesis scRNA-seq data, where the metagene hierarchy reflects the developmental hierarchy of hematopoietic cell types.

Chaperone networks are dysregulated with aging and neurodegenerative disease, but whether compromised Hsp70/Hsp90 chaperone function directly contributes to neuronal degeneration is unknown. Stress-inducible phosphoprotein-1 (STI1; STIP1; HOP) is a co-chaperone that simultaneously interacts with Hsp70 and Hsp90, but whose function in vivo remains poorly understood. To investigate the requirement of STI1-mediated regulation of the chaperone machinery in aging we combined analysis of a mouse line with a hypomorphic Stip1 allele, with a neuronal cell line lacking STI1 and in-depth analyses of chaperone genes in human datasets. Loss of STI1 function severely disturbed the Hsp70/Hsp90 machinery in vivo, and all client proteins tested and a subset of cochaperones presented decreased levels. Importantly, mice expressing a hypomorphic STI1 allele showed spontaneous age-dependent hippocampal neurodegeneration, with consequent spatial memory deficits. STI1 is a critical node for the chaperone network and it can contribute to age-dependent hippocampal neurodegeneration.