Abstract The basal ganglia, best known for processing information required for multiple aspects of movement, is also part of a network which regulates reward and cognition. The major output nucleus of the basal ganglia is the striatum, and its functions are dependent on neuronal compartmentation, including striosomes and matrix, which are selectively affected in disease. Striatal projection neurons are GABAergic medium spiny neurons (MSNs), all of which share basic molecular signatures but are subtyped by selective expression of receptors, neuropeptides, and other gene families. Neurogenesis of the striosome and matrix occurs in separate waves, but the factors regulating terminal neuronal differentiation following migration are largely unidentified. We performed RNA- and ATAC-seq on sorted murine striosome and matrix cells at postnatal day 3. Focusing on the striosomal compartment, we validated the localization and role of transcription factors and their regulator(s), previously not known to be associated with striatal development, including Irx1, Foxf2, Olig2 and Stat1/2 . In addition, we validated the enhancer function of a striosome-specific open chromatin region located 15Kb downstream of the Olig2 gene. These data and data bases provide novel tools to dissect and manipulate the networks regulating MSN compartmentation and differentiation and thus provide new approaches to establishing MSN subtypes from human iPSCs for disease modeling and drug discovery.

ABSTRACT Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disease caused by a CAG repeat expansion in the Huntingtin ( HTT ) gene. The resulting polyglutamine (polyQ) tract alters the function of the HTT protein. Although HTT is expressed in different tissues, the medium spiny projection neurons (MSNs) in the striatum are particularly vulnerable in HD. Thus, we sought to define the proteome of human HD patient-derived MSNs. We differentiated HD72 induced pluripotent stem cells and isogenic controls into MSNs and carried out quantitative proteomic analysis by two approaches. First, using data-dependent acquisitions with FAIMS (FAIMS-DDA) for label-free quantification on the Orbitrap Lumos mass spectrometer, we identified 6,323 proteins with at least two unique peptides (FDR ≤ 0.01). Of these, 901 proteins were significantly altered in the HD72-MSNs, compared to isogenic controls. Second, we quantitatively validated protein candidates by comprehensive data-independent acquisitions on a TripleTOF 6600 mass spectrometer quantifying 3,106 proteins with at least two unique peptides. Functional enrichment analysis identified pathways related to the extracellular matrix, including TGF-ý regulation of extracellular matrix, epithelial-mesenchymal transition, DNA replication, senescence, cardiovascular system, organism development, regulation of cell migration and locomotion, aminoglycan glycosaminoglycan proteoglycan, growth factor stimulus and fatty acid processes. Conversely, processes associated with the downregulated proteins included neurogenesis-axogenesis, the brain-derived neurotrophic factor-signaling pathway, Ephrin-A: EphA pathway, regulation of synaptic plasticity, triglyceride homeostasis cholesterol, plasmid lipoprotein particle immune response, interferon-γ signaling, immune system major histocompatibility complex, lipid metabolism and cellular response to stimulus. Moreover, proteins involved in the formation and maintenance of axons, dendrites, and synapses (e.g., Septin protein members) are dysregulated in HD72-MSNs. Importantly, lipid metabolism pathways were altered, and we found that lipid droplets accumulated in the HD72-MSNs, suggesting a deficit in lipophagy. Our proteomics analysis of HD72-MSNs identified relevant pathways that are altered in MSNs and confirm current and new therapeutic targets for HD.

SUMMARY Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disorder caused by an expansion of CAG repeats in exon 1 of the HTT gene, ultimately resulting in the generation of a mutant HTT (mHTT) protein. Although mHTT is expressed in various tissues, it significantly affects medium spiny neurons (MSNs) in the striatum, resulting in their loss and the subsequent motor function impairment in HD. While HD symptoms typically emerge in midlife, disrupted MSN neurodevelopment has an important role. To explore the effects of mHTT on MSN development, we differentiated HD induced pluripotent stem cells (iPSC) and isogenic controls into neuronal stem cells, and then generated a developing MSN population encompassing early, intermediate progenitors, and mature MSNs. Single-cell RNA sequencing revealed that the developmental trajectory of MSNs in our model closely emulated the trajectory of fetal striatal neurons. However, in the HD MSN cultures, the differentiation process downregulated several crucial genes required for proper MSN maturation, including Achaete-scute homolog 1 and members of the DLX family of transcription factors. Our analysis also uncovered a progressive dysregulation of multiple HD-related pathways as the MSNs matured, including the NRF2-mediated oxidative stress response and mitogen-activated protein kinase signaling. Using the transcriptional profile of developing HD MSNs, we searched the L1000 dataset for small molecules that induce the opposite gene expression pattern. Our analysis pinpointed numerous small molecules with known benefits in HD models, as well as previously untested novel molecules. A top novel candidate, Cerulenin, partially restored the DARPP-32 levels and electrical activity in HD MSNs, and also modulated genes involved in multiple HD-related pathways.