Abstract Although spinal muscular atrophy (SMA) is a motor neuron disease caused by the loss of survival of motor neuron (SMN) proteins, there is growing evidence that non-neuronal cells play important roles in SMA pathogenesis. However, transcriptome alterations occurring at the single-cell level in SMA spinal cord remain unknown, preventing us from fully comprehending the role of specific cells. Here, we performed single-cell RNA sequencing of the spinal cord of a severe SMA mouse model, and identified ten cell types as well as their differentially expressed genes. Using CellChat, we found that cellular communication between different cell types in the spinal cord of SMA mice was significantly reduced. A dimensionality reduction analysis revealed 29 cell subtypes and their differentially expressed gene. A subpopulation of vascular fibroblasts showed the most significant change in the SMA spinal cord at the single-cell level. This subpopulation was drastically reduced, possibly causing vascular defects and resulting in widespread protein synthesis and energy metabolism reductions in SMA mice. This study reveals for the first time a single-cell atlas of the spinal cord of mice with severe SMA, and sheds new light on the pathogenesis of SMA.

Abstract The pMN domain is a restricted domain in the ventral spinal cords, defined by the expression of olig2 gene. The fate determination of pMN progenitors is highly temporally and spatially regulated, with motor neurons and oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) developing sequentially. Insight into the heterogeneity and molecular programs of pMN progenitors is currently lacking. With the zebrafish model, we identified multiple states of neural progenitors using single-cell sequencing: proliferating progenitors, common progenitors for both motor neurons and OPCs, and restricted precursors for either motor neurons or OPCs. We found specific molecular programs for neural progenitor fate transition, and manipulations of representative genes in the motor neuron or OPC lineage confirmed their critical role in cell fate determination. The transcription factor NPAS3 is necessary for the development of the OPC lineage and can interact with many known genes associated with schizophrenia. Deciphering progenitor heterogeneity and molecular mechanisms for these transitions will elucidate the formation of complex neuron-glia networks in the central nervous system during development, and understand the basis of neurodevelopmental disorders.