Abstract The human brain is a complex organ comprised of distinct cell types, and the contribution of the 3D genome to lineage specific gene expression remains poorly understood. To decipher cell type specific genome architecture, and characterize fine scale changes in the chromatin interactome across neural development, we compared the 3D genome of the human fetal cortical plate to that of neurons and glia isolated from the adult prefrontal cortex. We found that neurons have weaker genome compartmentalization compared to glia, but stronger TADs, which emerge during fetal development. Furthermore, relative to glia, the neuronal genome shifts more strongly towards repressive compartments. Neurons have differential TAD boundaries that are proximal to active promoters involved in neurodevelopmental processes. CRISPRi on CNTNAP2 in hIPSC-derived neurons reveals that transcriptional inactivation correlates with loss of insulation at the differential boundary. Finally, re-wiring of chromatin loops during neural development is associated with transcriptional and functional changes. Importantly, differential loops in the fetal cortex are associated with autism GWAS loci, suggesting a neuropsychiatric disease mechanism affecting the chromatin interactome. Furthermore, neural development involves gaining enhancer-promoter loops that upregulate genes that control synaptic activity. Altogether, our study provides multi-scale insights on the 3D genome in the human brain.

ABSTRACT Genetic liability associated with schizophrenia most frequently arises from common genetic variation that confers small individual effects and contributes to phenotypes only when considered in aggregate. These risk variants are typically non-coding and act by genetically regulating the expression of one or more gene targets (eGenes), but the mechanisms by which unlinked eGenes interact to contribute to complex genetic risk remains unclear. Here we apply a pooled CRISPR approach to evaluate in parallel ten schizophrenia eGenes in human glutamatergic neurons. Querying the shared neuronal impacts across eGenes reveals shared downstream transcriptomic impacts (“convergence”) concentrated on pathways of brain development and synaptic signaling. The composition and strength of convergent networks is influenced by both the similarity of eGene functional annotation and the strength of eGene co-expression in human postmortem brain tissue. Convergent networks resolve distinct patterns of eGene up-regulation associated with individual-level risk in the post-mortem dorsolateral prefrontal cortex that are broadly enriched for neuropsychiatric disorder risk genes and may represent molecular subtypes of schizophrenia. Convergent gene targets are druggable as novel points of therapeutic intervention. Overall, convergence suggests a model to explain how non-additive interactions arise between risk genes and may explain cross-disorder pleiotropy of genetic risk for psychiatric disorders.

Treatment options for Alcohol Use Disorders (AUD) have minimally advanced since 2004, while the annual deaths and economic toll have become alarmingly high. Bringing potential therapeutics beyond the bench and into the clinic for AUD requires rigorous pharmacological screening across molecular, behavioral, pre-clinical, and clinical studies in neuroscience. The repurposing of FDA approved compounds is an effective and expedited means of screening pharmacotherapies for AUD. Here, we demonstrate that apremilast, a phosphodiesterase type 4 inhibitor that is FDA approved for psoriasis and psoriatic arthritis, reduces binge-like alcohol intake and behavioral measures of motivation in unique, preclinical genetic risk models for drinking to intoxication and reduces excessive alcohol drinking in models of stress facilitated drinking and alcohol dependence. In a double blind, placebo-controlled human laboratory study in non-treatment seeking individuals with AUD, apremilast significantly reduced the number of drinks per day. Lastly, using site-directed drug infusions and electrophysiology we determined that apremilast may act by increasing neural activity in the nucleus accumbens, an important alcohol-related brain region, to reduce alcohol intake in mice. These results demonstrate that apremilast reduces excessive alcohol drinking across a spectrum of AUD severity and support its importance as a potential therapeutic for AUD.

ABSTRACT Dopaminergic neurons are critical to movement, mood, addiction, and stress. Current techniques for generating dopaminergic neurons from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) yield heterogenous cell populations with variable purity and inconsistent reproducibility between donors, hiPSC clones, and experiments. Here, we report the rapid (5 weeks) and efficient (~90%) induction of induced dopaminergic neurons (iDANs) through transient overexpression of lineage-promoting transcription factors combined with stringent selection across five donors. We observe maturation-dependent increase in dopamine synthesis, together with electrophysiological properties consistent with midbrain dopaminergic neuron identity, such as slow-rising after hyperpolarization potentials, an action potential duration of ~3ms, tonic sub-threshold oscillatory activity, and spontaneous burst firing at frequency of ~1.0-1.75 Hz. Transcriptome analysis reveals robust expression of genes involved in fetal midbrain dopaminergic neuron identity. Specifically expressed genes in iDANs, relative to their isogenic glutamatergic and GABAergic counterparts, were linked to the genetic risk architecture of a broad range of psychiatric traits, with iDANs showing particularly strong enrichment in loci conferring heritability for cannabis use disorder, schizophrenia, and bipolar disorder. Therefore, iDANs provide a critical tool for modeling midbrain dopaminergic neuron development and dysfunction in psychiatric disease.

Abstract Identification of risk variants for neuropsychiatric diseases within enhancers underscores the importance of understanding the population-level variation of enhancers in the human brain. Besides regulating tissue- and cell-type-specific transcription of target genes, enhancers themselves can be transcribed. We expanded the catalog of known human brain transcribed enhancers by an order of magnitude by generating and jointly analyzing large-scale cell-type-specific transcriptome and regulome data. Examination of the transcriptome in 1,382 brain samples in two independent cohorts identified robust expression of transcribed enhancers. We explored gene-enhancer coordination and found that enhancer-linked genes are strongly implicated in neuropsychiatric disease. We identified significant expression quantitative trait loci (eQTL) for 25,958 enhancers which mediate 6.8% of schizophrenia heritability, mostly independent from standard gene eQTL. Inclusion of enhancer eQTL in transcriptome-wide association studies enhanced functional interpretation of disease loci. Overall, our study characterizes the enhancer-gene regulome and genetic mechanisms in the human cortex in both healthy and disease states.

ABSTRACT The prenatal environment can alter neurodevelopmental and clinical trajectories, markedly increasing risk for psychiatric disorders in childhood and adolescence. To understand if and how fetal exposures to stress and inflammation exacerbate manifestation of genetic risk for complex brain disorders, we report a large-scale context-dependent massively parallel reporter assay (MPRA) in human neurons designed to catalogue genotype x environment (GxE) interactions. Across 240 genome-wide association study (GWAS) loci linked to ten brain traits/disorders, the impact of hydrocortisone, interleukin 6, and interferon alpha on transcriptional activity is empirically evaluated in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived glutamatergic neurons. Of ∼3,500 candidate regulatory risk elements (CREs), 11% of variants are active at baseline, whereas cue-specific CRE regulatory activity range from a high of 23% (hydrocortisone) to a low of 6% (IL-6). Cue-specific regulatory activity is driven, at least in part, by differences in transcription factor binding activity, the gene targets of which show unique enrichments for brain disorders as well as co-morbid metabolic and immune syndromes. The dynamic nature of genetic regulation informs the influence of environmental factors, reveals a mechanism underlying pleiotropy and variable penetrance, and identifies specific risk variants that confer greater disorder susceptibility after exposure to stress or inflammation. Understanding neurodevelopmental GxE interactions will inform mental health trajectories and uncover novel targets for therapeutic intervention.

To explain why individuals exposed to identical stressors experience divergent clinical outcomes, we determine how molecular encoding of stress modifies genetic risk for brain disorders. Analysis of post-mortem brain (n=304) revealed 8557 stress-interactive expression quantitative trait loci (eQTLs) that dysregulate expression of 915 eGenes in response to stress, and lie in stress-related transcription factor binding sites. Response to stress is robust across experimental paradigms: up to 50% of stress-interactive eGenes validate in glucocorticoid treated hiPSC-derived neurons (n=39 donors). Stress-interactive eGenes show brain region- and cell type-specificity, and, in post-mortem brain, implicate glial and endothelial mechanisms. Stress dysregulates long-term expression of disorder risk genes in a genotype-dependent manner; stress-interactive transcriptomic imputation uncovered 139 novel genes conferring brain disorder risk only in the context of traumatic stress. Molecular stress-encoding explains individualized responses to traumatic stress; incorporating trauma into genomic studies of brain disorders is likely to improve diagnosis, prognosis, and drug discovery.

Abstract The 3D genome plays a key role in the regulation of gene expression. However, little is known about the spatiotemporal organization of chromatin during human brain development. We investigated the 3D genome in human fetal cortical plate and in adult prefrontal cortical neurons and glia. We found that neurons have weaker compartments than glia that emerge during fetal development. Furthermore, neurons form loop domains whereas glia form compartment domains. We show through CRISPRi on CNTNAP2 that transcription is coupled to loop domain insulation. Gene regulation during neural development involves increased use of enhancer-promoter and repressor-promoter loops. Finally, transcription is associated with gene loops. Altogether, we provide novel insights into the relationship between gene expression and different scales of chromatin organization in the human brain.

Over a hundred risk genes underlie risk for autism spectrum disorder (ASD) but the extent to which they converge on shared downstream targets to increase ASD risk is unknown. To test the hypothesis that cellular context impacts the nature of convergence, here we apply a pooled CRISPR approach to target 29 ASD loss-of-function genes in human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived neural progenitor cells, glutamatergic neurons, and GABAergic neurons. Two distinct approaches (gene-level and network-level analyses) demonstrate that convergence is greatest in mature glutamatergic neurons. Convergent effects are dynamic, varying in strength, composition, and biological role between cell types, increasing with functional similarity of the ASD genes examined, and driven by cell-type-specific gene co-expression patterns. Stratification of ASD genes yield targeted drug predictions capable of reversing gene-specific convergent signatures in human cells and ASD-related behaviors in zebrafish. Altogether, convergent networks downstream of ASD risk genes represent novel points of individualized therapeutic intervention.

ABSTRACT Here, we construct genome-scale maps for R-loops, three-stranded nucleic acid structures comprised of a DNA/RNA hybrid and a displaced single strand of DNA, in the proliferative and differentiated zones of the human prenatal brain. We show that R-loops are abundant in the progenitor-rich germinal matrix, with preferential formation at promoters slated for upregulated expression at later stages of differentiation, including numerous neurodevelopmental risk genes. RNase H1-mediated contraction of the genomic R-loop space in neural progenitors shifted differentiation toward the neuronal lineage and was associated with transcriptomic alterations and defective functional and structural neuronal connectivity in vivo and in vitro . Therefore, R- loops are important for fine-tuning differentiation-sensitive gene expression programs of neural progenitor cells.