Abstract Image-based profiling has emerged as a powerful technology for various steps in basic biological and pharmaceutical discovery, but the community has lacked a large, public reference set of data from chemical and genetic perturbations. Here we present data generated by the Joint Undertaking for Morphological Profiling (JUMP)-Cell Painting Consortium, a collaboration between 10 pharmaceutical companies, six supporting technology companies, and two non-profit partners. When completed, the dataset will contain images and profiles from the Cell Painting assay for over 116,750 unique compounds, over-expression of 12,602 genes, and knockout of 7,975 genes using CRISPR-Cas9, all in human osteosarcoma cells (U2OS). The dataset is estimated to be 115 TB in size and capturing 1.6 billion cells and their single-cell profiles. File quality control and upload is underway and will be completed over the coming months at the Cell Painting Gallery: https://registry.opendata.aws/cellpainting-gallery . A portal to visualize a subset of the data is available at https://phenaid.ardigen.com/jumpcpexplorer/ .

Summary Combining multiple Parkinson’s disease (PD) relevant cellular phenotypes might increase the accuracy of midbrain dopaminergic (mDA) in vitro models. We differentiated patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) with a LRRK2 G2019S mutation, isogenic control and genetically unrelated iPSCs into mDA neurons. Using automated fluorescence microscopy in 384-well plate format, we identified elevated levels of α-synuclein and Serine 129 phosphorylation (pS129), reduced dendritic complexity, and mitochondrial dysfunction. Next, we measured additional image-based phenotypes and used machine learning (ML) to accurately classify mDA neurons according to their genotype. Additionally, we show that chemical compound treatments, targeting LRRK2 kinase activity or α-synuclein levels, are detectable when using ML classification based on multiple image-based phenotypes. We validated our approach using a second isogenic patient derived SNCA gene triplication mDA neuronal model. This phenotyping and classification strategy improves the exploitability of mDA neurons for disease modelling and the identification of novel PD drug targets.

Phelan-McDermid syndrome (PMDS) arises from mutations in the terminal region of chromosome 22q13, impacting the SHANK3 gene. The resulting deficiency of the postsynaptic density scaffolding protein SHANK3 is associated with autism spectrum disorder (ASD). We examined 12 different PMDS patient and CRISPR-engineered stem cell-derived neuronal models and controls and found that reduced expression of SHANK3 leads to neuronal hyperdifferentiation, increased synapse formation, and decreased neuronal activity. We performed automated imaging-based screening of 7,120 target-annotated small molecules and identified three compounds that rescued SHANK3-dependent neuronal hyperdifferentiation. One compound, Benproperine, rescued the decreased colocalization of Actin Related Protein 2/3 Complex Subunit 2 (ARPC2) with β-actin and rescued increased synapse formation in SHANK3 deficient neurons when administered early during differentiation. Neuronal activity was only mildly affected, highlighting Benproperine9s effects as a neurodevelopmental modulator. This study demonstrates that small molecular compounds that reverse developmental phenotypes can be identified in human neuronal PMDS models.

Abstract Phelan-McDermid syndrome (PMDS) arises from mutations in the terminal region of chromosome 22q13, impacting the SHANK3 gene. The resulting deficiency of the postsynaptic density scaffolding protein SHANK3 is associated with autism spectrum disorder (ASD). We examined 12 different PMDS patient and CRISPR-engineered stem cell-derived neuronal models and controls and found that reduced expression of SHANK3 leads to neuronal hyperdifferentiation, increased synapse formation, and decreased neuronal activity. We performed automated imaging-based screening of 7,120 target-annotated small molecules and identified three compounds that rescued SHANK3-dependent neuronal hyperdifferentiation. One compound, Benproperine, rescued the decreased colocalization of Actin Related Protein 2/3 Complex Subunit 2 (ARPC2) with ß-actin and rescued increased synapse formation in SHANK3 deficient neurons when administered early during differentiation. Neuronal activity was only mildly affected, highlighting Benproperine’s effects as a neurodevelopmental modulator. This study demonstrates that small molecular compounds that reverse developmental phenotypes can be identified in human neuronal PMDS models.