Abstract Much is still unknown about the neurobiology of Alzheimer’s disease (AD). To better understand AD, we generated 636 ATAC-seq libraries from cases and controls to construct detailed genomewide chromatin accessibility maps of neurons and non-neurons from two AD-affected brain regions, the entorhinal cortex and superior temporal gyrus. By analyzing a total of 19.6 billion read pairs, we expanded the known repertoire of regulatory sequences in the human brain. Multi-omic data integration associated global patterns of chromatin accessibility with gene expression and identified cell-specific enhancer-promoter interactions. Using inter-individual variation in chromatin accessibility, we define cis -regulatory domains capturing the 3D structure of the genome. Multifaceted analyses uncovered disease associated perturbations impacting chromatin accessibility, transcription factor regulatory networks and the 3D genome, and implicated transcriptional dysregulation in AD. Overall, we applied a systematic approach to understand the role of the 3D genome in AD and to illuminate novel disease biology that can advance diagnosis and therapy.

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 cellular complexity of the human brain is established via dynamic changes in gene expression throughout development that is mediated, in part, by the spatiotemporal activity of cis-regulatory elements. We simultaneously profiled gene expression and chromatin accessibility in 45,549 cortical nuclei across 6 broad developmental time-points from fetus to adult. We identified cell-type specific domains in which chromatin accessibility is highly correlated with gene expression. Differentiation pseudotime trajectory analysis indicates that chromatin accessibility at cis-regulatory elements precedes transcription and that dynamic changes in chromatin structure play a critical role in neuronal lineage commitment. In addition, we mapped cell-type and temporally specific genetic loci implicated in neuropsychiatric traits, including schizophrenia and bipolar disorder. Together, our results describe the complex regulation of cell composition at critical stages in lineage determination, serve as a developmental blueprint of the human brain and shed light on the impact of spatiotemporal alterations in gene expression on neuropsychiatric disease. One-Sentence Summary Simultaneous profiling of gene expression and chromatin accessibility in single nuclei from 6 developmental time-points sheds light on cell fate determination in the human cerebral cortex and on the molecular basis of neuropsychiatric disease.

Menopause is associated with nighttime sleep fragmentation, declining estradiol, and impaired cognition. In a model of pharmacologically induced estradiol suppression mimicking menopause, we examined the impact of menopause-pattern sleep fragmentation on daytime neurobehavioral performance and sleepiness in premenopausal women.

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.

mRNAs form ribonucleoprotein complexes (mRNPs) by association with proteins that are crucial for mRNA metabolism. While the mRNP proteome has been well characterized, little is known about mRNP organization. Using a single molecule approach, we show that mRNA conformation changes depending on its cellular localization and translational state. Compared to nuclear mRNPs and lncRNPs, association with ribosomes decompacts individual mRNAs, while their sequestration into stress-granules leads to increased compaction. Moreover, translating mRNAs rarely show co-localizing 5' and 3' ends, indicating that mRNAs are either not translated in a closed-loop configuration, or that mRNA circularization is transient, suggesting that a stable closed-loop conformation is not a universal state for all translating mRNAs.

Abstract Study Objectives We previously reported that during a 45-day simulated space mission, a dynamic lighting schedule (DLS) improved circadian phase alignment and performance assessed once on selected days. This study aimed to evaluate how DLS affected performance on a 5-minute psychomotor vigilance task (PVT) administered multiple times per day on selected days. Methods Sixteen crewmembers (37.4 ± 6.7 years; 5F) underwent six cycles of 2 × 8-hour/night followed by 5 × 5-hour/night sleep opportunities. During the DLS (n = 8), daytime white light exposure was blue-enriched (~6000 K; Level 1: 1079, Level 2: 76 melanopic equivalent daytime illuminance (melEDI) lux) and blue-depleted (~3000–4000 K; L1: 21, L2: 2 melEDI lux) 3 hours before bed. In the standard lighting schedule (SLS; n = 8), lighting remained constant (~4500K; L1: 284, L2 62 melEDI lux). Effects of lighting condition (DLS/SLS), sleep condition (5/8 hours), time into mission, and their interactions, and time awake on PVT performance were analyzed using generalized linear mixed models. Results The DLS was associated with fewer attentional lapses (reaction time [RT] > 500 milliseconds) compared to SLS. Lapses, mean RT, and 10% fastest/slowest RTs were worse following 5 compared to 8 hours of sleep but not between lighting conditions. There was an effect of time into mission on RTs, likely due to sleep loss. Overall performance differed by time of day, with longer RTs at the beginning and end of the day. There were more lapses and slower RTs in the afternoon in the SLS compared to the DLS condition. Conclusions Future missions should incorporate DLS to enhance circadian alignment and performance. This paper is part of the Sleep and Circadian Rhythms: Management of Fatigue in Occupational Settings Collection.