Stem cell treatments for neurodegenerative diseases are expected to reach clinical trials soon. Most of the approaches currently under development involve transplantation of immature progenitors that subsequently undergo phenotypic and functional maturation in vivo, and predicting the long-term graft outcome already at the progenitor stage remains a challenge. Here, we took an unbiased approach to identify predictive markers expressed in dopamine neuron progenitors that correlate with graft outcome in an animal model of Parkinson's disease through gene expression analysis of >30 batches of grafted human embryonic stem cell (hESC)-derived progenitors. We found that many of the commonly used markers did not accurately predict in vivo subtype-specific maturation. Instead, we identified a specific set of markers associated with the caudal midbrain that correlate with high dopaminergic yield after transplantation in vivo. Using these markers, we developed a good manufacturing practice (GMP) differentiation protocol for highly efficient and reproducible production of transplantable dopamine progenitors from hESCs.

Abstract Midbrain dopamine (mDA) neurons constitute a heterogenous group of cells that have been intensely studied, not least because their degeneration causes major symptoms in Parkinson’s disease. Understanding the diversity of mDA neurons – previously well characterized anatomically – requires a systematic molecular classification at the genome-wide gene expression level. Here, we use single cell RNA sequencing of isolated mouse neurons expressing the transcription factor Pitx3 , a marker for mDA neurons. Analyses include cells isolated during development up until adulthood and the results are validated by histological characterization of newly identified markers. This identifies seven neuron subgroups divided in two major branches of developing Pitx3 -expressing neurons. Five of them express dopaminergic markers, while two express glutamatergic and GABAergic markers, respectively. Analysis also indicate evolutionary conservation of diversity in humans. This comprehensive molecular characterization will provide a valuable resource for elucidating mDA neuron subgroup development and function in the mammalian brain.

SUMMARY Multiple sclerosis (MS) is a neurological disease characterised by multifocal lesions and smouldering pathology. While single-cell analyses have provided insights into neuropathology, cellular processes underlying MS remain poorly understood. We modelled the cellular dynamics of MS by examining temporal and regional rates of disease progression in the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) mouse model. By performing single-cell spatial expression profiling using In situ sequencing, we annotated disease neighbourhoods during lesion evolution and found centrifugal propagation of active lesions. We demonstrated that disease-associated (DA) glia are dynamic and induced independently of lesions, preceding their formation. Single-cell spatial analysis of human archival MS spinal cord confirmed differential distribution of DA-glia, enabled deconvolution of active and inactive lesions into sub-compartments, and identification of new lesion areas. By establishing a spatial resource of mouse and human MS neuropathology at a single-cell resolution, our study unveils the intricate cellular dynamics underlying MS disease evolution.

Abstract Loss-of-function variants in the PRKN gene encoding the ubiquitin E3 ligase PARKIN cause autosomal recessive early-onset Parkinson’s disease (PD). Extensive in vitro and in vivo studies have reported that PARKIN is involved in multiple pathways of mitochondrial quality control, including mitochondrial degradation and biogenesis. However, these findings are surrounded by substantial controversy due to conflicting experimental data. In addition, the existing PARKIN-deficient mouse models have failed to faithfully recapitulate PD phenotypes. Therefore, we have investigated the mitochondrial role of PARKIN during ageing and in response to stress by employing a series of conditional Parkin knockout mice. We report that PARKIN loss does not affect oxidative phosphorylation (OXPHOS) capacity and mitochondrial DNA (mtDNA) levels in the brain, heart, and skeletal muscle of aged mice. We also demonstrate that PARKIN deficiency does not exacerbate the brain defects and the pro-inflammatory phenotype observed in mice carrying high levels of mtDNA mutations. To rule out compensatory mechanisms activated during embryonic development of Parkin -deficient mice, we generated a mouse model where loss of PARKIN was induced in adult dopaminergic (DA) neurons. Surprisingly, also these mice did not show motor impairment or neurodegeneration, and no major transcriptional changes were found in isolated midbrain DA neurons. Finally, we report a patient with compound heterozygous PRKN pathogenic variants that lacks PARKIN and has developed PD. The PARKIN deficiency did not impair OXPHOS activities or induce mitochondrial pathology in skeletal muscle from the patient. Altogether, our results argue that PARKIN is dispensable for OXPHOS function in adult mammalian tissues.

Abstract The Xenium In Situ platform is a new spatial transcriptomics product commercialized by 10X Genomics capable of mapping hundreds of transcripts in situ at a subcellular resolution. Given the multitude of commercially available spatial transcriptomics technologies, recommendations in choice of platform and analysis guidelines are increasingly important. Herein, we explore eight preview Xenium datasets of the mouse brain and two of human breast cancer by comparing scalability, resolution, data quality, capacities and limitations with eight other spatially resolved transcriptomics technologies. In addition, we benchmarked the performance of multiple open source computational tools when applied to Xenium datasets in tasks including cell segmentation, segmentation-free analysis, selection of spatially variable genes and domain identification, among others. This study serves as the first independent analysis of the performance of Xenium, and provides best-practices and recommendations for analysis of such datasets.

Since the pioneering studies using fetal cell transplants in Parkinson's disease (PD), brain repair by cell replacement has remained a long-standing and realistic goal for the treatment of neurodegenerative disorders including PD. Authentic and functional midbrain dopamine (DA) neurons can now be generated from human pluripotent stem cells (hPSCs) via a floor plate intermediate, and these cell preparations are both safe and functional when transplanted to animal models of PD. However, although resulting grafts from fetal brain tissue and hPSCs contain large numbers of desired DA neurons, these therapeutic cells are a minor component of the grafts. Moreover, the cellular composition of the graft has remained difficult to assess due to limitations in histological methods that rely on pre-conceived notions concerning cell types. Here, we used single cell RNA sequencing (scRNA-seq) combined with comprehensive histological analyses to characterize intracerebral grafts from ventral midbrain (VM)-patterned human embryonic stem cells (hESCs) and VM fetal tissue after long-term survival and functional maturation in a pre-clinical rat model of PD. The analyses revealed that while both cell preparations gave rise to neurons and astrocytes, oligodendrocytes were only detected in grafts of fetal tissue. On the other hand, a cell type closely resembling a class of newly identified perivascular-like cells was identified as a unique component of hESC-derived grafts. The presence of these cells was confirmed in transplants from three different hESC lines, as well as from iPSCs. Thus, these experiments have addressed one of the major outstanding questions in the field of cell replacement in neurological disease by revealing graft composition and differences between hESC- and fetal cell-derived grafts, which can have important implications for clinical trials.