ABSTRACT Dysregulated microglia activation, leading to neuroinflammation, is crucial in neurodegenerative disease development and progression. The initial M1/M2 dual activation classification for microglia is outdated. Even the ‘disease-associated microglia’ (DAM) phenotype, firstly described in mice, falls short in representing the diverse microglia phenotypes in pathology. In this study, we have constructed a transcriptomic atlas of human brain immune cells by integrating single-nucleus (sn)RNA-seq datasets from multiple neurodegenerative conditions. Sixteen datasets were included, comprising 295 samples from patients with Alzheimer’s disease, autism spectrum disorder, epilepsy, multiple sclerosis, Lewy body diseases, COVID-19, and healthy controls. The integrated Human Microglia Atlas ( HuMicA ) dataset included 60,557 nuclei and revealed 11 microglial subpopulations distributed across all pathological and healthy conditions. Among these, we identified four different homeostatic clusters as well as pathological phenotypes. These included two stages of early and late activation of the DAM phenotype and the disease-inflammatory macrophage (DIM) phenotype, which was recently described in mice, and is also present in human microglia, as indicated by our analysis. The high versatility of microglia is evident through changes in subset distribution across various pathologies, suggesting their contribution in shaping pathological phenotypes. Our analysis showed overall depletion of four substates of homeostatic microglia, and expansion of niche subpopulations within the DAM and DIM spectrum across distinct neurodegenerative pathologies. The HuMicA is invaluable in advancing the study of microglia biology in both healthy and disease settings.

ABSTRACT Microglia, as the main immune effector cells in the central nervous system (CNS), play a crucial role in a diverse range of neuropathological conditions through their exacerbated activation. Microglial inflammatory responses can be influenced by prior exposures to noxious stimuli, such as increased levels of extracellular adenosine and ATP. These conditions are characteristic of brain insults like epileptic seizures and could potentially shape subsequent responses through epigenetic regulation. In this study, we investigated DNA methylation and expression changes in microglia-like cells differentiated from monocytes following ATP-mediated preconditioning. First, during differentiation, we demonstrate that microglia-like cells acquire standard microglial features, including whole transcriptomes and methylomes like in vivo profiles. We show a predominant DNA demethylation in genomic sequences enriched in binding motifs of microglia lineage transcription factors like PU.1, consistent with the relevance of this factor in in vivo microglia. TLR-mediated activation, after a first exposure to ATP, promotes exacerbated pro-inflammatory activation compared to cells not pre-exposed to ATP. These changes are accompanied by DNA methylation and transcriptional reprogramming associated with the acquisition of trained immunity and altered immune-related functions such as with antigen presentation, phagocytosis and cytokine signaling. Finally, the reprogramming associated with ATP-mediated preconditioning leads to profiles found in microglial subsets linked to epilepsy. Purine-driven microglia immune preconditioning drives epigenetic and transcriptional changes that could contribute to altered functions of microglia during seizure development and progression, particularly associated with neuroinflammation.

Microglia play a crucial role in a range of neuropathologies through exacerbated activation. Microglial inflammatory responses can be influenced by prior exposures to noxious stimuli, like increased levels of extracellular adenosine and ATP. These are characteristic of brain insults like epileptic seizures and could potentially shape subsequent responses through epigenetic regulation. We investigated DNA methylation and expression changes in human microglia-like cells differentiated from monocytes following ATP-mediated preconditioning. We demonstrate that microglia-like cells display homeostatic microglial features, shown by surface markers, transcriptome, and DNA methylome. After exposure to ATP, TLR-mediated activation leads to an exacerbated pro-inflammatory response. These changes are accompanied by methylation and transcriptional reprogramming associated with enhanced immune-related functions. The reprogramming associated with ATP-mediated preconditioning leads to profiles found in microglial subsets linked to epilepsy. Purine-driven microglia immune preconditioning drives epigenetic and transcriptional changes that could contribute to altered functions of microglia during seizure development and progression.