DNA methylation plays an important role in the maintenance of cell identity through its effect on gene expression. Methylation of 5′ promoters is known to suppress gene expression, while the role of intragenic DNA methylation — where methylation occurs within the body of a gene itself — has been less extensively studied and remains controversial. A map of DNA methylation from the human brain has now been constructed with unprecedented coverage using next-generation sequencing. Integration of this map with brain tissue ChIP-sequencing for histone methylation, and gene expression in mouse and human, highlights a major role for intragenic methylation in regulating tissue-specific promoters in gene bodies, and a surprisingly minor role in 5′ promoters. The methylation of DNA in 5′ promoter regions suppresses gene expression, but what is the role of DNA methylation in the bodies of genes? Here, a map of DNA methylation is generated from human brain tissue; it is found that most methylated CpG islands are within intragenic and intergenic regions, rather than within promoters. It is proposed that intragenic methylation regulates the expression of alternative gene transcripts in different tissues and cell types. Although it is known that the methylation of DNA in 5′ promoters suppresses gene expression, the role of DNA methylation in gene bodies is unclear1,2,3,4,5. In mammals, tissue- and cell type-specific methylation is present in a small percentage of 5′ CpG island (CGI) promoters, whereas a far greater proportion occurs across gene bodies, coinciding with highly conserved sequences5,6,7,8,9,10. Tissue-specific intragenic methylation might reduce3, or, paradoxically, enhance transcription elongation efficiency1,2,4,5. Capped analysis of gene expression (CAGE) experiments also indicate that transcription commonly initiates within and between genes11,12,13,14,15. To investigate the role of intragenic methylation, we generated a map of DNA methylation from the human brain encompassing 24.7 million of the 28 million CpG sites. From the dense, high-resolution coverage of CpG islands, the majority of methylated CpG islands were shown to be in intragenic and intergenic regions, whereas less than 3% of CpG islands in 5′ promoters were methylated. The CpG islands in all three locations overlapped with RNA markers of transcription initiation, and unmethylated CpG islands also overlapped significantly with trimethylation of H3K4, a histone modification enriched at promoters16. The general and CpG-island-specific patterns of methylation are conserved in mouse tissues. An in-depth investigation of the human SHANK3 locus17,18 and its mouse homologue demonstrated that this tissue-specific DNA methylation regulates intragenic promoter activity in vitro and in vivo. These methylation-regulated, alternative transcripts are expressed in a tissue- and cell type-specific manner, and are expressed differentially within a single cell type from distinct brain regions. These results support a major role for intragenic methylation in regulating cell context-specific alternative promoters in gene bodies.

Whether the brain tumor medulloblastoma originates from stem cells or restricted progenitor cells is unclear. To investigate this, we activated oncogenic Hedgehog (Hh) signaling in multipotent and lineage-restricted central nervous system (CNS) progenitors. We observed that normal unipotent cerebellar granule neuron precursors (CGNPs) derive from hGFAP(+) and Olig2(+) rhombic lip progenitors. Hh activation in a spectrum of early- and late-stage CNS progenitors generated similar medulloblastomas, but not other brain cancers, indicating that acquisition of CGNP identity is essential for tumorigenesis. We show in human and mouse medulloblastoma that cells expressing the glia-associated markers Gfap and Olig2 are neoplastic and retain features of embryonic-type granule lineage progenitors. Thus, oncogenic Hh signaling promotes medulloblastoma from lineage-restricted granule cell progenitors.

ABSTRACT While neurodevelopmental abnormalities have been associated with schizophrenia (SCZ), the role of astroglia in disease pathophysiology remains poorly understood. In this study we used a human induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived astrocyte model to investigate the temporal patterns of astroglia differentiation during developmental stages critical for SCZ using RNA-sequencing. The model generated astrocyte-specific patterns of gene expression during differentiation, and demonstrated that these patterns correspond well to astroglia-specific expression signatures of in vivo cortical fetal development. Applying this model, we were able to identify SCZ-specific expression dynamics in human astrocytes, and found that SCZ-associated differentially expressed genes were significantly enriched in the medial prefrontal cortex, striatum, and temporal lobe, targeting VWA5A and ADAMTS19 . In addition, SCZ astrocytes displayed alterations in calcium signaling, and significantly decreased glutamate uptake and metalloproteinase activity relative to controls. These results provide strong support for the validity of our astrocyte model, and implicate novel transcriptional dynamics in astrocyte differentiation in SCZ together with functional changes that are potentially important biological components of SCZ pathology.

Abstract Astrocytes gained attention as important players in neurological disease, including a number of leukodystrophies. Several studies explored the generation of induced pluripotent stem cell-derived astrocytes for drug screening and regenerative studies. Developing robust models of patient induced pluripotent stem cells is challenged by high variability due to diverse genetic backgrounds and long-term culture procedures. While human models are of special interest, mouse-based models have the advantage that for them these issues are less pronounced. Here we present astrocyte differentiation protocols for both human and mouse induced pluripotent stem cells to specifically induce grey and white matter astrocytes. Both subtypes expressed astrocyte-associated markers, had typical astrocyte morphologies, and gave a reactive response to stress. Importantly, the grey and white matter-like astrocytes differed in size, complexity of processes, and expression profile, conform primary grey and white matter astrocytes. The newly presented mouse and human stem cell-based models for the leukodystrophy Vanishing White Matter replicated earlier findings, such as increased proliferation, decreased OPC maturation and modulation by hyaluronidase. We studied intrinsic astrocyte subtype vulnerability in Vanishing White Matter in both human and mouse cells. Oligodendrocyte maturation was specifically inhibited in cultures with Vanishing White Matter white matter-like astrocytes. By performing RNA sequencing, we found more differentially regulated genes in the white than in the grey matter-like astrocytes. Human and mouse astrocytes showed the same affected pathways, although human white matter-like astrocytes presented human-specific disease mechanisms involved in Vanishing White Matter. Using both human and mouse induced pluripotent stem cells, our study presents protocols to generate white and grey matter-like astrocytes, and shows astrocyte subtype-specific defects in Vanishing White Matter. While mouse induced pluripotent stem cell-based cultures may be less suitable to mimic human astrocyte subtype- or patient-specific changes, they might more robustly represent disease mutation-related cellular phenotypes as the cells are derived from inbred mice and the protocols are faster. The presented models give new tools to generate astrocyte subtypes for in vitro disease modeling and in vivo regenerative applications.

Rett syndrome (RTT) is a progressive neurodevelopmental disease often caused by mutations in the X-linked gene encoding methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2). The mechanisms by which impaired MeCP2 induces the pathological abnormalities in the brain is not understood. To understand the molecular mechanisms involved in disease onset, we used an RTT patient induced pluripotent stem cell (iPSC)-based model and applied an in-depth high-resolution quantitative mass spectrometry-based analysis during early stages of neuronal development. Our data provided evidence of proteomic alteration at developmental stages long before the phase that symptoms of RTT syndrome become apparent. Differential expression increased from early to late neural stem cell phases, although proteins involved in immunity, metabolic processes and calcium signaling were already affected at initial stages. This data can help development of new biomarkers and therapeutic approaches in RTT syndrome.

Abstract 4H leukodystrophy is a rare genetic disorder classically characterized by hypomyelination, hypodontia and hypogonadotropic hypogonadism. With the discovery that 4H is caused by mutations that affect RNA polymerase III, mainly involved in the transcription of small non-coding RNAs, also patients with atypical presentations with mainly a neuronal phenotype were identified. Pathomechanisms of 4H brain abnormalities are still unknown and research is hampered by a lack of preclinical models. We aimed to identify cells and pathways that are affected by 4H mutations using induced pluripotent stem cell models. RNA sequencing analysis on induced pluripotent stem cell-derived cerebellar cells revealed several differentially expressed genes between 4H patients and control samples, including reduced ARX expression. As ARX is involved in early brain and interneuron development, we studied and confirmed interneuron changes in primary tissue of 4H patients. Subsequently, we studied interneuron changes in more depth and analyzed induced pluripotent stem cell-derived cortical neuron cultures for changes in neuronal morphology, synaptic balance, network activity and myelination. We showed a decreased percentage of GABAergic synapses in 4H, which correlated to increased neuronal network activity. Treatment of cultures with GABA antagonists led to a significant increase in neuronal network activity in control cells but not in 4H cells, also pointing to lack of inhibitory activity in 4H. Myelination and oligodendrocyte maturation in cultures with 4H neurons was normal, and treatment with sonic hedgehog agonist SAG did not improve 4H related neuronal phenotypes. qPCR analysis revealed increased expression of parvalbumin interneuron marker ERBB4 , suggesting that the development rather than generation of interneurons may be affected in 4H. Together, these results indicate that interneurons are involved, possibly parvalbumin interneurons, in disease mechanisms of 4H leukodystrophy.