ABSTRACT Genetic risk for autism spectrum disorder (ASD) has been associated with hundreds of genes spanning a wide range of biological functions. The phenotypic alterations in the human brain resulting from mutations in ASD risk genes remain unclear, and the level at which these alterations converge on shared disease pathology is poorly understood. Here, we leveraged reproducible organoid models of the human cerebral cortex to identify cell type-specific developmental abnormalities associated with haploinsufficiency in three ASD risk genes, SUV420H1 ( KMT5B ), PTEN , and CHD8 . We performed comprehensive single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) of over 400,000 cells, and proteomic analysis on individual organoids sampled at different developmental stages to investigate phenotypic convergence among these genes. We find that within a defined period of early cortical development, each of the three mutations demonstrates accelerated development of cortical neurons. Notably, they do so by affecting different neuronal populations: excitatory deep layer ( SUV420H1 ) and callosal ( PTEN ) neurons, and inhibitory interneurons ( CHD8 ). This work shows that haploinsufficiency in ASD risk genes converge on early developmental defects in the generation of neurons of the cortical microcircuit.

Summary Human genetic studies have provided a wealth of information on genetic risk factors associated with neuropsychiatric diseases. However, whether different brain cell types are differentially affected in disease states and when in their development and maturation alterations occur is still poorly understood. Here we generated a longitudinal transcriptional map of excitatory projection neuron (PN) and inhibitory interneuron (IN) subtypes of the cerebral cortex, across a timeline of mouse embryonic and postnatal development, as well as fetal human cortex and human cortical organoids. We found that three types of gene signatures uniquely defined each cortical neuronal subtype: dynamic (developmental), adult (terminal), and constitutive (stable), with individual neuronal subtypes varying in the degree of similarity of their signatures between species. In particular, human callosal projection neurons (CPN) displayed the greatest species divergence, with molecular signatures highly enriched for non-coding, human-specific RNAs. Evaluating the association of neuronal class-specific signatures with neuropsychiatric disease risk genes using linkage disequilibrium score regression showed that schizophrenia risk genes were enriched in CPN identity signatures from human but not mouse cortex. Human cortical organoids confirmed the association with excitatory projection neurons. The data indicate that risk gene enrichment is both species- and cell type-specific. Our study reveals molecular determinants of cortical neuron diversification and identifies human callosal projection neurons as the most species-divergent population and a potentially vulnerable neuronal class in schizophrenia.

ABSTRACT In the neocortex, oligodendrocytes produce distinct amounts of myelin in each cortical layer and along the axons of individual neuron types. Here we present a comprehensive single-cell molecular map of mouse cortical oligodendrocytes across different cortical layers and stages of myelination, spanning the initiation of cortical myelination into adulthood. We apply this dataset to show that neuron-class specific signals drive oligodendrocyte maturation and differential myelination across cortical layers. We find that each layer contains a similar compendium of oligodendrocyte classes, indicating that oligodendrocyte heterogeneity cannot explain layer-specific myelination. To evaluate whether neuronal diversity drives differential myelination across cortical layers, we generated a predicted ligand-receptor interactome between projection neuron types and oligodendrocyte states, across cortical layers and time. In vivo functional testing identified Fgf18 , Ncam1 , and Rspo3 as novel, neuron-derived pro-myelinating signals. Our results highlight neuron-class-dependent control of myelin distribution in the neocortex.

ABSTRACT In utero infection and maternal inflammation can adversely impact fetal brain development. Maternal systemic illness, even in the absence of direct fetal central nervous system infection, is associated with an increased risk of autism and schizophrenia in affected offspring. The cell types mediating the response of the fetal brain to maternal inflammation are largely unknown, hindering the development of therapies to prevent and treat adverse neuropsychiatric outcomes. Here, we show that microglia, the resident phagocytes of the brain, are enriched for expression of receptors for relevant pathogens and cytokines, throughout embryonic development. Using a rodent maternal immune activation (MIA) model in which polyinosinic:polycytidylic acid is injected into pregnant dams, we demonstrate long-lasting transcriptional changes in fetal microglia that persist into postnatal life. We find that MIA induces widespread gene expression changes in neuronal and non-neuronal cells; importantly, these responses are abolished by selective genetic deletion of microglia, indicating that microglia are required for the transcriptional response of other cortical cell types to MIA. These findings demonstrate that microglia play a critical, durable role in fetal response to maternal inflammation, pointing at microglia as a potential therapeutic cell target.

Abstract De novo heterozygous loss-of-function mutations in PTEN are strongly associated with Autism spectrum disorders (ASD); however, it is unclear how heterozygous mutations in this gene affects different cell types during human brain development, and how these effects vary across individuals. Here, we used human cortical organoids from different donors to identify cell-type-specific developmental events that are affected by heterozygous mutations in PTEN . We profiled individual organoids by single-cell RNA-seq, proteomics and spatial transcriptomics, and revealed abnormalities in developmental timing in human outer radial glia progenitors and deep layer cortical projection neurons, which varied with the donor genetic background. Calcium imaging in intact organoids showed that both accelerated and delayed neuronal development phenotypes resulted in similar abnormal activity of local circuits, irrespective of genetic background. The work reveals donor-dependent, cell-type specific developmental phenotypes of PTEN heterozygosity that later converge on disrupted neuronal activity.

Abstract Mammalian neocortical neurons span one of the most diverse cell type spectra of any tissue. The regulatory strategies that neurons use during progressive development and maturation remain unclear. We present an integrated single-cell epigenomic and transcriptional analysis of individual classes of neurons from both mouse and marmoset neocortex, sampled during both early postmitotic stages of identity acquisition and later stages of neuronal plasticity and circuit integration. We find that in both species, the regulatory strategies controlling these early and late stages diverge: early postmitotic neurons use molecular regulatory programs with broader tissue distribution and greater evolutionary conservation, while programs active during later neuronal maturation implement more brain- and neuron-specific mechanisms showing greater evolutionary divergence. The data uncovers a temporally-regulated shift in regulatory choices, likely reflecting unique evolutionary constraints on distinct events of neuronal development in the neocortex.

Abstract Realizing the full utility of brain organoids as experimental systems to study human cortical development requires understanding whether organoids replicate the cellular and molecular events of this complex process precisely, reproducibly, and with fidelity to the embryo. Here we present a comprehensive single-cell transcriptomic, epigenetic, and spatial atlas of human cortical organoid development, comprising over 610,000 cells, spanning initial generation of neural progenitors through production of differentiated neuronal and glial subtypes. We define the lineage relationships and longitudinal molecular trajectories of cortical cell types during development in organoids, and show that developmental processes of cellular diversification in organoids correlate closely to endogenous ones, irrespective of metabolic state. Using this data, we identify genes with predicted human-specific roles in lineage establishment, and discover a developmental origin for the transcriptional diversity of human callosal projection neurons, a population that has undergone dramatic expansion and diversification during human evolution. Our work provides a comprehensive, single-cell molecular map of human corticogenesis in vitro , identifying developmental trajectories and molecular mechanisms associated with human cellular diversification.

Systematic analysis of gene function across diverse cell types in vivo is hindered by two challenges: obtaining sufficient cells from live tissues and accurately identifying each cell9s perturbation in high-throughput single-cell assays. Leveraging AAV9s versatile cell type tropism and high labeling capacity, we expanded the resolution and scale of in vivo CRISPR screens: allowing phenotypic analysis at single-cell resolution across a multitude of cell types in the embryonic brain, adult brain, and peripheral nervous system. We undertook extensive tests of 86 AAV serotypes, combined with a transposon system, to substantially amplify labeling and accelerate in vivo gene delivery from weeks to days. Using this platform, we performed an in utero genetic screen as proof-of-principle and identified pleiotropic regulatory networks of Foxg1 in cortical development, including Layer 6 corticothalamic neurons where it tightly controls distinct networks essential for cell fate specification. Notably, our platform can label >6% of cerebral cells, surpassing the current state-of-the-art efficacy at <0.1% (mediated by lentivirus), and achieve analysis of over 30,000 cells in one experiment, thus enabling massively parallel in vivo Perturb-seq. Compatible with various perturbation techniques (CRISPRa/i) and phenotypic measurements (single-cell or spatial multi-omics), our platform presents a flexible, modular approach to interrogate gene function across diverse cell types in vivo, connecting gene variants to their causal functions.

Computational tools used for genomic analyses are becoming more accurate but also increasingly sophisticated and complex. This introduces a new problem in that these pieces of software have a large number of tunable parameters which often have a large influence on the results that are reported. We quantify the impact of parameter choice on transcript assembly and take some first steps towards generating a truly automated genomic analysis pipeline by developing a method for automatically choosing input-specific parameter values for reference-based transcript assembly. By choosing parameter values for each input, the area under the receiver operator characteristic curve (AUC) when comparing assembled transcripts to a reference transcriptome is increased by 28.9% over using only the default parameter choices on 1595 RNA-Seq samples in the Sequence Read Archive. This approach is general, and when applied to StringTie it increases AUC by 13.1% on a set of 65 RNA-Seq experiments from ENCODE. Parameter advisors for both Scallop and StringTie are available on Github[1][1]. [1]: #fn-4