The mammalian brain develops through a complex interplay of spatial cues generated by diffusible morphogens, cell–cell interactions and intrinsic genetic programs that result in probably more than a thousand distinct cell types. A complete understanding of this process requires a systematic characterization of cell states over the entire spatiotemporal range of brain development. The ability of single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to reveal the molecular heterogeneity of complex tissues has therefore been particularly powerful in the nervous system. Previous studies have explored development in specific brain regions1–8, the whole adult brain9 and even entire embryos10. Here we report a comprehensive single-cell transcriptomic atlas of the embryonic mouse brain between gastrulation and birth. We identified almost eight hundred cellular states that describe a developmental program for the functional elements of the brain and its enclosing membranes, including the early neuroepithelium, region-specific secondary organizers, and both neurogenic and gliogenic progenitors. We also used in situ mRNA sequencing to map the spatial expression patterns of key developmental genes. Integrating the in situ data with our single-cell clusters revealed the precise spatial organization of neural progenitors during the patterning of the nervous system. A comprehensive single-cell transcriptomic atlas of the mouse brain between gastrulation and birth identifies hundreds of cellular states and reveals the spatiotemporal organization of brain development.

The mammalian brain develops through a complex interplay of spatial cues generated by diffusible morphogens, cell-cell interactions, and intrinsic genetic programs that result in the generation of likely more than a thousand distinct cell types. Therefore, a complete understanding of mammalian brain development requires systematic mapping of cell states covering the entire relevant spatiotemporal range. Here we report a comprehensive single-cell transcriptome atlas of mouse brain development spanning from gastrulation to birth. We identified almost a thousand distinct cellular states, including the initial emergence of the neuroepithelium, a rich set of region-specific secondary organizers and a complete developmental program for the functional elements of the brain and its enclosing membranes. We used the atlas to directly test the hypothesis that human glioblastoma reflects a return to a developmental cell state. In agreement, most aneuploid tumor cells matched embryonic rather than adult types, while karyotypically normal cells predominantly matched adult immune cell types.

The adult human brain likely comprises more than a thousand kinds of neurons, and an unknown number of glial cell types, but how cellular diversity arises during early brain development is not known. Here, in order to reveal the precise sequence of events during early brain development, we used single-cell RNA sequencing and spatial transcriptomics to uncover cell states and trajectories in human brains at 5 – 14 post-conceptional weeks (p.c.w.). We identified twelve major classes and over 600 distinct cell states, which mapped to precise spatial anatomical domains at 5 p.c.w. We uncovered detailed differentiation trajectories of the human forebrain, and a surprisingly large number of region-specific glioblasts maturing into distinct pre-astrocytes and pre-oligodendrocyte precursor cells (pre-OPCs). Our findings reveal the emergence of cell types during the critical first trimester of human brain development.

Abstract Mechanistic target of rapamycin (mTOR) is a protein kinase that integrates multiple inputs to regulate anabolic cellular processes. mTOR complex I (mTORC1) has key functions in growth control, autophagy and metabolism. Much less is known about the signalling components that act downstream of mTORC1 that regulate cellular morphology, a vital determinant of cellular function. Here we show that the RNA-binding protein Unkempt, a key regulator of cellular morphogenesis, is a novel substrate mTORC1. We find that Unkempt phosphorylation is regulated by nutrient levels and growth factors via mTORC1. Furthermore, Unkempt physically interacts with and is directly phosphorylated by mTORC1 through binding to the regulatory-associated protein of mTOR, Raptor. Phosphorylation of Unkempt, which we find is mTORC1-dependent in cultured mammalian cell lines as well as in primary tissues, occurs largely within the highly serine-rich intrinsically disordered region of Unkempt. Importantly, mutation analysis of this region indicates that phosphorylation inhibits the ability of Unkempt to induce a bipolar morphology. Our findings reveal a novel molecular link between mTORC1 signalling and cellular morphogenesis.