To equalize X-chromosome dosages between the sexes, the female mammal inactivates one of her two X chromosomes. X-chromosome inactivation (XCI) is initiated by expression of Xist , a 17-kb noncoding RNA (ncRNA) that accumulates on the X in cis. Because interacting factors have not been isolated, the mechanism by which Xist induces silencing remains unknown. We discovered a 1.6-kilobase ncRNA (RepA) within Xist and identified the Polycomb complex, PRC2, as its direct target. PRC2 is initially recruited to the X by RepA RNA, with Ezh2 serving as the RNA binding subunit. The antisense Tsix RNA inhibits this interaction. RepA depletion abolishes full-length Xist induction and trimethylation on lysine 27 of histone H3 of the X. Likewise, PRC2 deficiency compromises Xist up-regulation. Therefore, RepA, together with PRC2, is required for the initiation and spread of XCI. We conclude that a ncRNA cofactor recruits Polycomb complexes to their target locus.

This protocol describes how to sequence the transcriptome from a single nucleus. It is particularly suited to cell types that are difficult to isolate as intact whole cells, such as neurons. A protocol is described for sequencing the transcriptome of a cell nucleus. Nuclei are isolated from specimens and sorted by FACS, cDNA libraries are constructed and RNA-seq is performed, followed by data analysis. Some steps follow published methods (Smart-seq2 for cDNA synthesis and Nextera XT barcoded library preparation) and are not described in detail here. Previous single-cell approaches for RNA-seq from tissues include cell dissociation using protease treatment at 30 °C, which is known to alter the transcriptome. We isolate nuclei at 4 °C from tissue homogenates, which cause minimal damage. Nuclear transcriptomes can be obtained from postmortem human brain tissue stored at −80 °C, making brain archives accessible for RNA-seq from individual neurons. The method also allows investigation of biological features unique to nuclei, such as enrichment of certain transcripts and precursors of some noncoding RNAs. By following this procedure, it takes about 4 d to construct cDNA libraries that are ready for sequencing.

The presence of two active X chromosomes (XaXa) is a hallmark of the ground state of pluripotency specific to murine embryonic stem cells (ESCs). Human ESCs (hESCs) invariably exhibit signs of X chromosome inactivation (XCI) and are considered developmentally more advanced than their murine counterparts. We describe the establishment of XaXa hESCs derived under physiological oxygen concentrations. Using these cell lines, we demonstrate that (1) differentiation of hESCs induces random XCI in a manner similar to murine ESCs, (2) chronic exposure to atmospheric oxygen is sufficient to induce irreversible XCI with minor changes of the transcriptome, (3) the Xa exhibits heavy methylation of the XIST promoter region, and (4) XCI is associated with demethylation and transcriptional activation of XIST along with H3K27-me3 deposition across the Xi. These findings indicate that the human blastocyst contains pre-X-inactivation cells and that this state is preserved in vitro through culture under physiological oxygen.

Abstract Single-cell sequencing methods have emerged as powerful tools for identification of heterogeneous cell types within defined brain regions. Application of single-cell techniques to study the transcriptome of activated neurons can offer insight into molecular dynamics associated with differential neuronal responses to a given experience. Through evaluation of common whole-cell and single-nuclei RNA-sequencing (snRNA-seq) methods, here we show that snRNA-seq faithfully recapitulates transcriptional patterns associated with experience-driven induction of activity, including immediate early genes (IEGs) such as Fos , Arc and Egr1 . SnRNA-seq of mouse dentate granule cells reveals large-scale changes in the activated neuronal transcriptome after brief novel environment exposure, including induction of MAPK pathway genes. In addition, we observe a continuum of activation states, revealing a pseudotemporal pattern of activation from gene expression alone. In summary, snRNA-seq of activated neurons enables the examination of gene expression beyond IEGs, allowing for novel insights into neuronal activation patterns in vivo.

Abstract The human placenta is increasingly a focus of research related to early child development and the impact of maternal hyperimmune states. Primary human trophoblast stem cells (hTSC) and human pluripotent stem cells (hPSC) differentiated to hTSC can potentially model placental processes in vitro . Yet, it remains controversial how the differentiation of human pluripotent stem cells to trophectoderm relates to in vivo development and the factors required for this differentiation. Here, we demonstrate that the primed pluripotent state retains potency to generate trophoblast stem cells by activating EGF and WNT and inhibiting TGFb, HDAC and ROCK signaling without exogenous BMP4 (named TS). We map this specification by temporal single cell RNAseq compared to activating BMP4 or activating BMP4 and inhibiting WNT. TS conditions generate a stable proliferating cell type that is highly similar to six-week placental cytotrophoblasts with activation of endogenous retroviral genes and without amnion expression. Multiple primed iPSC and ES lines differentiate to iPS-derived-TSCs that can be passaged for at least 30 passages and differentiate to pure populations of multinucleated syncytiotrophoblasts and extravillous trophoblast cells. Our findings establish that primed iPS cell specification to hTSC with TS conditions involves induction of TMSB4X , BMP5/7 , GATA3 and TFAP2A without transitioning through a naive state. Collectively, our results suggest that the primed state is on a continuum of potency and can differentiate to trophoblast stem cells via multiple paths. Significance Statement In the present study, we map the specification of primed induced pluripotent stem cells to trophoblast stem cells (TSC). Primed iPS-derived-TSC share transcriptional, morphological and functional characteristics with human ex vivo cytotrophoblasts including capacity of self-renewal and the ability to differentiate to pure extravillous and syncytiotrophoblasts. iPS-derived TSC display a uniquely active transcriptional network of human endogenous retroviruses similar to in vivo trophoblast. In addition, the fast conversion of primed iPSC to TSC allows for modeling placental diseases from large pluripotent stem cell cohorts which are traditionally banked at the primed state. Collectively, our results suggest that the primed state is on a continuum of potency which can differentiate to trophoblast stem cells via multiple paths.

ABSTRACT Schizophrenia (SCZ) is a brain disorder originating during neurodevelopment with complex genetic and environmental etiologies. Despite decades of clinical evidence of altered striatal function in affected patients, its cellular and molecular underpinnings remain unclear. Here, to explore neurodevelopmental alterations in the striatum associated with SCZ, we established a method for the differentiation of iPS cells into ventral forebrain organoids. Given substantial genetic heterogeneity among individuals, which can obscure disease-associated phenotypes, we generated organoids from postmortem dural fibroblast-derived iPS cells of 3 patients and 4 healthy control individuals with nonoverlapping polygenic risk score (PRS) for SCZ and whose genotype and postmortem caudate transcriptomic data were profiled in the Brainseq neurogenomics consortium. Single cell RNA sequencing (scRNA-seq) analyses of the organoids revealed differences in developmental trajectory between SCZ cases and controls in which inhibitory neurons from patients exhibited accelerated maturation. Furthermore, we found a significant overlap of genes upregulated in the inhibitory neurons in SCZ organoids with upregulated genes in postmortem caudate tissues from patients with SCZ compared with control individuals, including the donors of our iPS cell cohort. Our findings suggest that striatal neurons in the patients with SCZ carry abnormalities that originated during early brain development and a ventral forebrain striatal organoid model can recapitulate those neurodevelopmental phenotypes in a dish.

Abstract X-linked Dystonia-Parkinsonism (XDP) is an inherited, X-linked, adult-onset movement disorder characterized by degeneration in the neostriatum. No therapeutics alter disease progression. The mechanisms underlying regional differences in degeneration and age of onset are unknown. Developing therapeutics that target XDP-related mechanisms requires a deeper understanding of how XDP-relevant features vary in health and disease. XDP is due, in part, to either a partial loss of TAF1 function and/or a SVA-driven pathological gain of function. A disease-specific SINE-VNTR-Alu (SVA) retrotransposon insertion occurs within intron 32 of TAF1 , a subunit of TFIID involved in transcription initiation. While all XDP males are usually clinically affected, females are heterozygous carriers generally not manifesting the full syndrome. As a resource for disease modeling, we characterized eight iPSC lines from XDP female carrier individuals, and identified isogenic lines where one clonal iPSC line expressed the wild-type X, and the two other clonal iPSC lines expressed the XDP haplotype. Furthermore, we characterized XDP-relevant transcript expression variation in humans, and found that SVA-F expression decreases slightly after 30 years of age in the neurotypical human brain and that TAF1 is modestly decreased in the majority of female samples. Uniquely in the caudate nucleus, TAF1 expression is not sexually dymorphic and decreased after 15 years of age. These findings indicate that regional-, age- and sex-specific mechanisms regulate TAF1 , highlighting the importance of disease-relevant models and postmortem tissue analysis. We propose that the decreased TAF1 expression in the adult caudate may synergize with the XDP-specific partial loss of TAF1 function in patients, thereby passing a minimum threshold of TAF1 function, and triggering degeneration in the neostriatum. Significance Statement XDP is an inherited, X-linked, adult-onset movement disorder characterized by degeneration in the neostriatum. No therapeutics alter disease progression. Developing therapeutics requires a deeper understanding of how XDP-relevant features vary in health and disease. XDP is possibly due to a partial loss of TAF1 function. While all XDP males are usually affected, females are heterozygous carriers generally not manifesting the full syndrome. As a resource for disease modeling, we characterized eight stem cell lines from XDP female carrier individuals. Furthermore, we found that, uniquely in the caudate nucleus, TAF1 expression decreases after adolescence in healthy humans. We hypothesize that the decrease of TAF1 after adolescence in human caudate, in general, may underlie the vulnerability of the adult neostriatum in XDP.

Analysis of high troughput biological data often involves the use of many software packages and in-house written code. For each analysis step there are multiple options of software tools available, each with its own capabilities, limitations and assumptions on the input and output data. The development of bioinformatics pipelines involves a great deal of experimentation with different tools and parameters, considering how each would fit to the big picture and the practical implications of their use. Organizing data analysis could prove challenging. In this work we present a set of methods and tools that aim to enable the user to experiment extensively, while keeping analyses reproducible and organized. We present a framework based on simple principles that allow data analyses to be structured in a way that emphasizes reproducibility, organization and clarity, while being simple and intuitive so that adding and modifying analysis steps can be done naturally with little extra effort. The framework suppports version control of code, documentation and data, enabling collaboration between users.