Building a brain The human brain is built in an inside-out manner as a series of layers. Although progenitor cells spin off new neurons in a seemingly organized fashion, the devil is in the details. Nowakowski et al. analyzed the transcriptomes of single cells from the developing brain to elucidate the hidden complexity of brain construction. For each cell, its position within the brain matters, as well as what type of neuron is being made at what point during overall development. These individual expression patterns result in organized diversity in the brain's cortex. Science , this issue p. 1318

Tumor-associated macrophages (TAMs) are abundant in gliomas and immunosuppressive TAMs are a barrier to emerging immunotherapies. It is unknown to what extent macrophages derived from peripheral blood adopt the phenotype of brain-resident microglia in pre-treatment gliomas. The relative proportions of blood-derived macrophages and microglia have been poorly quantified in clinical samples due to a paucity of markers that distinguish these cell types in malignant tissue.We perform single-cell RNA-sequencing of human gliomas and identify phenotypic differences in TAMs of distinct lineages. We isolate TAMs from patient biopsies and compare them with macrophages from non-malignant human tissue, glioma atlases, and murine glioma models. We present a novel signature that distinguishes TAMs by ontogeny in human gliomas. Blood-derived TAMs upregulate immunosuppressive cytokines and show an altered metabolism compared to microglial TAMs. They are also enriched in perivascular and necrotic regions. The gene signature of blood-derived TAMs, but not microglial TAMs, correlates with significantly inferior survival in low-grade glioma. Surprisingly, TAMs frequently co-express canonical pro-inflammatory (M1) and alternatively activated (M2) genes in individual cells.We conclude that blood-derived TAMs significantly infiltrate pre-treatment gliomas, to a degree that varies by glioma subtype and tumor compartment. Blood-derived TAMs do not universally conform to the phenotype of microglia, but preferentially express immunosuppressive cytokines and show an altered metabolism. Our results argue against status quo therapeutic strategies that target TAMs indiscriminately and in favor of strategies that specifically target immunosuppressive blood-derived TAMs.

The recent outbreak of Zika virus (ZIKV) in Brazil has been linked to substantial increases in fetal abnormalities and microcephaly. However, information about the underlying molecular and cellular mechanisms connecting viral infection to these defects remains limited. In this study we have examined the expression of receptors implicated in cell entry of several enveloped viruses including ZIKV across diverse cell types in the developing brain. Using single-cell RNA-seq and immunohistochemistry, we found that the candidate viral entry receptor AXL is highly expressed by human radial glial cells, astrocytes, endothelial cells, and microglia in developing human cortex and by progenitor cells in developing retina. We also show that AXL expression in radial glia is conserved in developing mouse and ferret cortex and in human stem cell-derived cerebral organoids, highlighting multiple experimental systems that could be applied to study mechanisms of ZIKV infectivity and effects on brain development.

Classical lissencephaly is a genetic neurological disorder associated with mental retardation and intractable epilepsy, and Miller-Dieker syndrome (MDS) is the most severe form of the disease. In this study, to investigate the effects of MDS on human progenitor subtypes that control neuronal output and influence brain topology, we analyzed cerebral organoids derived from control and MDS-induced pluripotent stem cells (iPSCs) using time-lapse imaging, immunostaining, and single-cell RNA sequencing. We saw a cell migration defect that was rescued when we corrected the MDS causative chromosomal deletion and severe apoptosis of the founder neuroepithelial stem cells, accompanied by increased horizontal cell divisions. We also identified a mitotic defect in outer radial glia, a progenitor subtype that is largely absent from lissencephalic rodents but critical for human neocortical expansion. Our study, therefore, deepens our understanding of MDS cellular pathogenesis and highlights the broad utility of cerebral organoids for modeling human neurodevelopmental disorders.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including microcephaly. To understand the pathophysiology of ZIKV infection, we used models of the developing brain that faithfully recapitulate the tissue architecture in early to midgestation. We identify the brain cell populations that are most susceptible to ZIKV infection in primary human tissue, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by reducing viral proliferation. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, oligodendrocyte precursor cells, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate. Furthermore, we find that blocking the glia-enriched putative viral entry receptor AXL reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro, and genetic knockdown of AXL in a glial cell line nearly abolished infection. Finally, we evaluate 2,177 compounds, focusing on drugs safe in pregnancy. We show that the macrolide antibiotic azithromycin reduced viral proliferation and virus-induced cytopathic effects in glial cell lines and human astrocytes. Our characterization of infection in the developing human brain clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides the basis for investigating possible therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

Direct comparisons of human and non-human primate brains can reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. Despite metabolic differences, organoid models preserve gene regulatory networks related to primary cell types and developmental processes. We further identified 261 differentially expressed genes in human compared to both chimpanzee organoids and macaque cortex, enriched for recent gene duplications, and including multiple regulators of PI3K-AKT-mTOR signaling. We observed increased activation of this pathway in human radial glia, dependent on two receptors upregulated specifically in human: INSR and ITGB8. Our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including placental damage and microcephaly. However, the placenta’s role in viral transmission and the mechanisms of microcephaly have not been addressed in primary human tissues. Moreover, there is an urgent need for drugs that can prevent developmental defects following infection. Here, we identify the placental and brain cell populations most susceptible to ZIKV infection, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by inhibiting viral proliferation. In the early gestation placenta, the virus readily infected trophoblast subpopulations that are in direct contact with maternal blood and uterine cells, suggesting routes of ZIKV transmission to the embryo and fetus. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate and brain abnormalities caused by third trimester infection. Blocking a putative viral entry receptor, AXL, which is highly enriched in the infected placenta and brain cell types, reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro . In a glial cell line, the macrolide antibiotic, azithromycin, inhibited viral proliferation and viral-induced cytopathic effects at clinically relevant concentrations. Our characterization of infection in primary human tissues clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides critical context for interpreting results from model systems. Further work on azithromycin and related compounds may yield additional therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

Abstract Zika virus (ZIKV) is a flavivirus transmitted via mosquitoes and sex to cause congenital neurodevelopmental defects, including microcephaly. Inherited forms of microcephaly (MCPH) are associated with disrupted centrosome organization. Similarly, we found that ZIKV infection disrupted centrosome organization. ZIKV infection disrupted the organization of centrosomal proteins including CEP63, a MCPH-associated protein. The ZIKV nonstructural protein NS3 bound CEP63, and expression of NS3 was sufficient to alter centrosome architecture and CEP63 localization. Loss of CEP63 suppressed ZIKV-induced centrosome disorganization, indicating that ZIKV requires CEP63 to disrupt centrosome organization. ZIKV infection or loss of CEP63 decreased the centrosomal localization and stability of TANK-binding kinase 1 (TBK1), a regulator of the innate immune response. ZIKV infection or loss of CEP63 also increased the centrosomal accumulation of the CEP63 interactors, Mindbomb1 (MIB1) and DTX4, ubiquitin ligases that respectively activate and degrade TBK1. Therefore, we propose that ZIKV NS3 binds CEP63 to increase centrosomal DTX4 localization and destabilization of TBK1, thereby tempering the innate immune response. In addition to identifying a mechanism by which CEP63 controls the innate immune responses in ZIKV infection, we propose that the altered centrosomal organization caused by altered CEP63 function may contribute to ZIKV-associated microcephaly.

Direct comparisons of human and non-human primate brain tissue have the potential to reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is largely inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. First, we systematically evaluated the fidelity of organoid models to primary human and macaque cortex, finding organoid models preserve gene regulatory networks related to cell types and developmental processes but exhibit increased metabolic stress. Second, we identified 261 genes differentially expressed in human compared to chimpanzee organoids and macaque cortex. Many of these genes overlap with human-specific segmental duplications and a subset suggest increased PI3K/AKT/mTOR activation in human outer radial glia. Together, our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.

Tumor-propagating glioblastoma (GBM) stem-like cells (GSCs) of the proneural and mesenchymal molecular subtypes have been described. However, it is unknown if these two GSC populations are sufficient to generate the spectrum of cellular heterogeneity observed in GBM. The lineage relationships and niche interactions of GSCs have not been fully elucidated. We perform single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) and matched exome sequencing of human GBMs (12 patients; >37,000 cells) to identify recurrent hierarchies of GSCs and their progeny. We map sequenced cells to tumor-anatomical structures and identify microenvironment interactions using reference atlases and quantitative immunohistochemistry. We find that all GSCs can be described by a single axis of variation, ranging from proneural to mesenchymal. Increasing mesenchymal GSC (mGSC) content, but not proneural GSC (pGSC) content, correlates with significantly inferior survival. All clonal expressed mutations are found in the GSC populations, with a greater representation of mutations found in mGSCs. While pGSCs upregulate markers of cell-cycle progression, mGSCs are largely quiescent and overexpress cytokines mediating the chemotaxis of myeloid-derived suppressor cells. We find mGSCs enriched in hypoxic regions while pGSCs are enriched in the tumor's invasive edge. We show that varying proportions of mGSCs, pGSCs, their progeny and stromal/immune cells are sufficient to explain the genetic and phenotypic heterogeneity observed in GBM. This study sheds light on a long-standing debate regarding the lineage relationships between GSCs and other glioma cell types.