Marine stickleback fish have colonized and adapted to thousands of streams and lakes formed since the last ice age, providing an exceptional opportunity to characterize genomic mechanisms underlying repeated ecological adaptation in nature. Here we develop a high-quality reference genome assembly for threespine sticklebacks. By sequencing the genomes of twenty additional individuals from a global set of marine and freshwater populations, we identify a genome-wide set of loci that are consistently associated with marine–freshwater divergence. Our results indicate that reuse of globally shared standing genetic variation, including chromosomal inversions, has an important role in repeated evolution of distinct marine and freshwater sticklebacks, and in the maintenance of divergent ecotypes during early stages of reproductive isolation. Both coding and regulatory changes occur in the set of loci underlying marine–freshwater evolution, but regulatory changes appear to predominate in this well known example of repeated adaptive evolution in nature. A reference genome sequence for threespine sticklebacks, and re-sequencing of 20 additional world-wide populations, reveals loci used repeatedly during vertebrate evolution; multiple chromosome inversions contribute to marine-freshwater divergence, and regulatory variants predominate over coding variants in this classic example of adaptive evolution in natural environments. Threespine sticklebacks have become a powerful model for studying the molecular basis of adaptive evolution. This paper presents a high-quality reference genome sequence, along with genomes of 20 further individuals from a global set of marine and freshwater populations. Genomic analysis reveals that reuse of globally shared standing genetic variation plays an important part in repeated evolution of distinct stickleback populations, and in the maintenance of divergent ecotypes during early stages of reproductive isolation. The data are consistent with an important role for regulatory changes during parallel evolution of marine and freshwater sticklebacks.

Large-scale surveys of single-cell gene expression have the potential to reveal rare cell populations and lineage relationships but require efficient methods for cell capture and mRNA sequencing. Although cellular barcoding strategies allow parallel sequencing of single cells at ultra-low depths, the limitations of shallow sequencing have not been investigated directly. By capturing 301 single cells from 11 populations using microfluidics and analyzing single-cell transcriptomes across downsampled sequencing depths, we demonstrate that shallow single-cell mRNA sequencing (~50,000 reads per cell) is sufficient for unbiased cell-type classification and biomarker identification. In the developing cortex, we identify diverse cell types, including multiple progenitor and neuronal subtypes, and we identify EGR1 and FOS as previously unreported candidate targets of Notch signaling in human but not mouse radial glia. Our strategy establishes an efficient method for unbiased analysis and comparison of cell populations from heterogeneous tissue by microfluidic single-cell capture and low-coverage sequencing of many cells.

Building a brain The human brain is built in an inside-out manner as a series of layers. Although progenitor cells spin off new neurons in a seemingly organized fashion, the devil is in the details. Nowakowski et al. analyzed the transcriptomes of single cells from the developing brain to elucidate the hidden complexity of brain construction. For each cell, its position within the brain matters, as well as what type of neuron is being made at what point during overall development. These individual expression patterns result in organized diversity in the brain's cortex. Science , this issue p. 1318

Radial glia, the neural stem cells of the neocortex, are located in two niches: the ventricular zone and outer subventricular zone. Although outer subventricular zone radial glia may generate the majority of human cortical neurons, their molecular features remain elusive. By analyzing gene expression across single cells, we find that outer radial glia preferentially express genes related to extracellular matrix formation, migration, and stemness, including TNC, PTPRZ1, FAM107A, HOPX, and LIFR. Using dynamic imaging, immunostaining, and clonal analysis, we relate these molecular features to distinctive behaviors of outer radial glia, demonstrate the necessity of STAT3 signaling for their cell cycle progression, and establish their extensive proliferative potential. These results suggest that outer radial glia directly support the subventricular niche through local production of growth factors, potentiation of growth factor signals by extracellular matrix proteins, and activation of self-renewal pathways, thereby enabling the developmental and evolutionary expansion of the human neocortex.

The recent outbreak of Zika virus (ZIKV) in Brazil has been linked to substantial increases in fetal abnormalities and microcephaly. However, information about the underlying molecular and cellular mechanisms connecting viral infection to these defects remains limited. In this study we have examined the expression of receptors implicated in cell entry of several enveloped viruses including ZIKV across diverse cell types in the developing brain. Using single-cell RNA-seq and immunohistochemistry, we found that the candidate viral entry receptor AXL is highly expressed by human radial glial cells, astrocytes, endothelial cells, and microglia in developing human cortex and by progenitor cells in developing retina. We also show that AXL expression in radial glia is conserved in developing mouse and ferret cortex and in human stem cell-derived cerebral organoids, highlighting multiple experimental systems that could be applied to study mechanisms of ZIKV infectivity and effects on brain development.

Classical lissencephaly is a genetic neurological disorder associated with mental retardation and intractable epilepsy, and Miller-Dieker syndrome (MDS) is the most severe form of the disease. In this study, to investigate the effects of MDS on human progenitor subtypes that control neuronal output and influence brain topology, we analyzed cerebral organoids derived from control and MDS-induced pluripotent stem cells (iPSCs) using time-lapse imaging, immunostaining, and single-cell RNA sequencing. We saw a cell migration defect that was rescued when we corrected the MDS causative chromosomal deletion and severe apoptosis of the founder neuroepithelial stem cells, accompanied by increased horizontal cell divisions. We also identified a mitotic defect in outer radial glia, a progenitor subtype that is largely absent from lissencephalic rodents but critical for human neocortical expansion. Our study, therefore, deepens our understanding of MDS cellular pathogenesis and highlights the broad utility of cerebral organoids for modeling human neurodevelopmental disorders.

A computational survey of the human genome has identified more than 500 human-specific genomic deletions that remove sequences that are highly conserved between chimpanzees and other animals. These are genomic changes that are likely to have contributed to unique features of human biology. Most of the deleted sequences are located in the non-coding regions of the genome. The human deletions are enriched near genes involved in neural development and steroid hormone signalling, consistent with previous suggestions that regulatory changes near key developmental control genes may have important roles in human evolution. Specific examples of human-specific deletions include one that affects penile anatomy and another relating to brain size. This study searched for putative regulatory mutations specific to the human lineage by looking for sequences that are highly conserved between chimpanzees and other species, but are not present in the human genome. The 500-odd human-specific deletions tend to lie in non-coding DNA stretches and near genes involved in steroid hormone signalling and neural function. This is illustrated with two examples, one of which affects penile anatomy whereas the other affects brain size. Humans differ from other animals in many aspects of anatomy, physiology, and behaviour; however, the genotypic basis of most human-specific traits remains unknown1. Recent whole-genome comparisons have made it possible to identify genes with elevated rates of amino acid change or divergent expression in humans, and non-coding sequences with accelerated base pair changes2,3,4,5. Regulatory alterations may be particularly likely to produce phenotypic effects while preserving viability, and are known to underlie interesting evolutionary differences in other species6,7,8. Here we identify molecular events particularly likely to produce significant regulatory changes in humans: complete deletion of sequences otherwise highly conserved between chimpanzees and other mammals. We confirm 510 such deletions in humans, which fall almost exclusively in non-coding regions and are enriched near genes involved in steroid hormone signalling and neural function. One deletion removes a sensory vibrissae and penile spine enhancer from the human androgen receptor (AR) gene, a molecular change correlated with anatomical loss of androgen-dependent sensory vibrissae and penile spines in the human lineage9,10. Another deletion removes a forebrain subventricular zone enhancer near the tumour suppressor gene growth arrest and DNA-damage-inducible, gamma (GADD45G)11,12, a loss correlated with expansion of specific brain regions in humans. Deletions of tissue-specific enhancers may thus accompany both loss and gain traits in the human lineage, and provide specific examples of the kinds of regulatory alterations6,7,8 and inactivation events13 long proposed to have an important role in human evolutionary divergence.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including microcephaly. To understand the pathophysiology of ZIKV infection, we used models of the developing brain that faithfully recapitulate the tissue architecture in early to midgestation. We identify the brain cell populations that are most susceptible to ZIKV infection in primary human tissue, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by reducing viral proliferation. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, oligodendrocyte precursor cells, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate. Furthermore, we find that blocking the glia-enriched putative viral entry receptor AXL reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro, and genetic knockdown of AXL in a glial cell line nearly abolished infection. Finally, we evaluate 2,177 compounds, focusing on drugs safe in pregnancy. We show that the macrolide antibiotic azithromycin reduced viral proliferation and virus-induced cytopathic effects in glial cell lines and human astrocytes. Our characterization of infection in the developing human brain clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides the basis for investigating possible therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

Direct comparisons of human and non-human primate brains can reveal molecular pathways underlying remarkable specializations of the human brain. However, chimpanzee tissue is inaccessible during neocortical neurogenesis when differences in brain size first appear. To identify human-specific features of cortical development, we leveraged recent innovations that permit generating pluripotent stem cell-derived cerebral organoids from chimpanzee. Despite metabolic differences, organoid models preserve gene regulatory networks related to primary cell types and developmental processes. We further identified 261 differentially expressed genes in human compared to both chimpanzee organoids and macaque cortex, enriched for recent gene duplications, and including multiple regulators of PI3K-AKT-mTOR signaling. We observed increased activation of this pathway in human radial glia, dependent on two receptors upregulated specifically in human: INSR and ITGB8. Our findings establish a platform for systematic analysis of molecular changes contributing to human brain development and evolution.

Cortical organoids are self-organizing three-dimensional cultures that model features of the developing human cerebral cortex1,2. However, the fidelity of organoid models remains unclear3–5. Here we analyse the transcriptomes of individual primary human cortical cells from different developmental periods and cortical areas. We find that cortical development is characterized by progenitor maturation trajectories, the emergence of diverse cell subtypes and areal specification of newborn neurons. By contrast, organoids contain broad cell classes, but do not recapitulate distinct cellular subtype identities and appropriate progenitor maturation. Although the molecular signatures of cortical areas emerge in organoid neurons, they are not spatially segregated. Organoids also ectopically activate cellular stress pathways, which impairs cell-type specification. However, organoid stress and subtype defects are alleviated by transplantation into the mouse cortex. Together, these datasets and analytical tools provide a framework for evaluating and improving the accuracy of cortical organoids as models of human brain development. Single-cell RNA sequencing clarifies the development and specification of neurons in the human cortex and shows that cell stress impairs this process in cortical organoids.