Summary Building a nervous system is a protracted process that starts with the specification of individual neuron types and ends with the formation of mature neural circuits. The molecular mechanisms that regulate the temporal progression of maturation in individual cell types remain poorly understood. In this work, we have mapped the gene expression and chromatin accessibility changes in mouse spinal motor neurons throughout their lifetimes. We found that both motor neuron gene expression and putative regulatory elements are dynamic during the first three weeks of postnatal life, when motor circuits are maturing. Genes that are up-regulated during this time contribute to adult motor neuron diversity and function. Almost all of the chromatin regions that gain accessibility during maturation are motor neuron specific, yet a majority of the transcription factor binding motifs enriched in these regions are shared with other mature neurons. Collectively, these findings suggest that a core transcriptional program operates in a context-dependent manner to access cell-type-specific cis-regulatory systems associated with maturation genes. Discovery of general principles governing neuronal maturation might inform methods for transcriptional reprogramming of neuronal age and for improved modelling of age-related neurodegenerative diseases.

Abstract Transcription factor over-expression is a proven method for reprogramming cells to a desired cell type for regenerative medicine and therapeutic discovery. However, a general method for the identification of reprogramming factors to create an arbitrary cell type is an open problem. We examine the success rate of methods and data for directed differentiation by testing the ability of nine computational methods (CellNet, GarNet, EBSeq, AME, DREME, HOMER, KMAC, diffTF, and DeepAccess) to correctly discover and rank candidate factors for eight target cell types with known reprogramming solutions. We compare methods that utilize gene expression, biological networks, and chromatin accessibility data to identify eight sets of known reprogramming factors and comprehensively test parameter and pre-processing of input data to optimize performance of these methods. We find the best factor identification methods can identify an average of 50-60% of reprogramming factors within the top 10 candidates, and methods that use chromatin accessibility perform the best. Among the chromatin accessibility methods, complex methods DeepAccess and diffTF are more likely to consistently correctly rank the significance of transcription factor candidates within reprogramming protocols for differentiation. We provide evidence that AME and DeepAccess are optimal methods for transcription factor recovery and ranking which will allow for systematic prioritization of transcription factor candidates to aid in the design of novel reprogramming protocols.

Abstract Aging is a major risk factor in amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and other adult-onset neurodegenerative disorders. Whereas young neurons are capable of buffering disease-causing stresses, mature neurons lose this ability and degenerate over time. We hypothesized that the resilience of young motor neurons could be restored by re-expression of the embryonic motor neuron selector transcription factors ISL1 and LHX3. We found that viral re-expression of ISL1 and LHX3 reactivates aspects of the youthful gene expression program in mature motor neurons and alleviates key disease-relevant phenotypes in the SOD1 G93A mouse model of ALS. Our results suggest that redeployment of lineage-specific neuronal selector transcription factors can be an effective strategy to attenuate age-dependent phenotypes in neurodegenerative disease.