The mushroom body (MB) is the center for associative learning in insects. In Drosophila, intersectional split-GAL4 drivers and electron microscopy (EM) connectomes have laid the foundation for precise interrogation of the MB neural circuits. However, many cell types upstream and downstream of the MB remained to be investigated due to lack of driver lines. Here we describe a new collection of over 800 split-GAL4 and split-LexA drivers that cover approximately 300 cell types, including sugar sensory neurons, putative nociceptive ascending neurons, olfactory and thermo-/hygro-sensory projection neurons, interneurons connected with the MB-extrinsic neurons, and various other cell types. We characterized activation phenotypes for a subset of these lines and identified the sugar sensory neuron line most suitable for reward substitution. Leveraging the thousands of confocal microscopy images associated with the collection, we analyzed neuronal morphological stereotypy and discovered that one set of mushroom body output neurons, MBON08/MBON09, exhibits striking individuality and asymmetry across animals. In conjunction with the EM connectome maps, the driver lines reported here offer a powerful resource for functional dissection of neural circuits for associative learning in adult Drosophila.

Drosophila type II neuroblasts produce numerous neurons and glia due to transiently amplifying, intermediate neural progenitors (INP). Consecutively born INPs produce morphologically distinct progeny, presumably due to temporal patterning in type II neuroblasts. We therefore profiled type II neuroblasts transcriptome across time. Our results reveal opposing temporal gradients of Imp and Syp RNA-binding proteins (descending and ascending, respectively). Maintaining Imp expression throughout brain development expands the number of neurons/glia with early temporal fate at the expense of cells with late fate. Conversely, precocious upregulation of Syp reduces the number of cells with early fate. Further, we reveal that the transcription factor, Seven-up initiates progression of the Imp/Syp gradients. Interestingly, genetic manipulations that fix Imp or Syp levels still yield progeny with a small range of early fates. We propose that the Seven-up-initiated Imp/Syp gradients create coarse temporal windows within type II neuroblasts to pattern INPs, which subsequently undergo fine-tuned subtemporal patterning.

During Drosophila and vertebrate brain development, the conserved transcription factor Prospero/Prox1 is an important regulator of the transition between proliferation and differentiation. Prospero level is low in neural stem cells and their immediate progeny, but is upregulated in larval neurons and it is unknown how this process is controlled. Here, we use single molecule fluorescent in situ hybridisation to show that larval neurons selectively transcribe a long prospero mRNA isoform containing a 15 kb 3’ untranslated region, which is bound in the brain by the conserved RNA-binding protein Syncrip/hnRNPQ. Syncrip binding increases the mRNA stability of the long prospero isoform, which allows an upregulation of Prospero protein production. Our findings highlight a regulatory strategy involving alternative polyadenylation followed by differential post-transcriptional regulation.

Timing of Drosophila neuroblast decommissioning is controlled in a lineage-specific manner. Following a prepupal ecdysone pulse, the ecdysone receptor and mediator complex cause neuroblasts to shrink. Shrinking is followed by nuclear accumulation of Prospero and cell cycle exit. Only mushroom body (MB) neuroblasts escape early pupal termination. Here, we demonstrate that the opposing temporal gradients of Imp and Syp RNA-binding proteins that govern temporal fate also regulate neuroblast decommissioning. The Imp gradient declines slower in MB neuroblasts so they still express Imp when it is absent from others. The presence of Imp in MB neuroblasts prevents decommissioning partly through inhibiting the mediator complex. Moreover, a timely induction of Imp can protect many non-MB neuroblasts from aging. We also show that the increasing Syp gradient permits Prospero accumulation and neuroblast termination. Together our results reveal that progeny temporal fate and progenitor decommissioning are co-regulated in protracted neuronal lineages.

Wiring a complex brain requires enormous cell specificity. This specificity is laid out via a developmental process where neural stem cells produce countless diverse neurons. To help elucidate this process and resolve the considerable dynamic specificity, we need to observe the development of multiple neuronal lineages. Drosophila central brain lineages are predetermined, comprised of a fixed set of neurons born in pairs in a specific order. To reveal specific roles of lineage identity, Notch-dependent sister fate specification, and temporal patterning in morphological diversification, we mapped approximately one quarter of the Drosophila central brain lineages. While we found large aggregate differences, we also discovered similar patterns of morphological specification and diversification. Lineage identity plus Notch state govern primary neuronal trajectories, whereas temporal fates diversify terminal elaborations in target-specific manners. In addition, we identified related lineages of analogous neuron types produced in similar temporal patterns. Two stem cells even yield identical series of dopaminergic neuron types, but with completely disparate sister neurons. These phenomena suggest that large changes in morphological diversity can be the consequence of relatively small differences in lineage fating. Taken together, this large-scale lineage mapping study reveals that relatively simple rules drive incredible neuronal complexity.

Gaining independent genetic access to discrete cell types is critical to interrogate their biological functions, as well as to deliver precise gene therapy. Transcriptome analyses have allowed us to profile cell populations with extraordinary precision, revealing that cell types are typically defined by a unique combination of genetic markers. Given the lack of adequate tools to target cell types based on multiple markers, most cell types have remained inaccessible to genetic manipulation. Here, we present CaSSA, a platform to create unlimited genetic switches based on CRISPR/Cas9 (Ca) and the DNA repair mechanism known as single-strand annealing (SSA). CaSSA allows engineering of independent genetic switches that each respond to a specific gRNA. Expressing multiple gRNAs in specific patterns enables multiplex cell type-specific manipulations and combinatorial genetic targeting. CaSSA is thus a new genetic tool that conceptually works as an unlimited number of recombinases and will facilitate genetic access to cell types in diverse organisms.

We present CLADES (Cell Lineage Access Driven by an Edition Sequence), a technology for cell lineage studies based on CRISPR/Cas9. CLADES relies on a system of genetic switches to activate and inactivate reporter genes in a pre-determined order. Targeting CLADES to progenitor cells allows the progeny to inherit a sequential cascade of reporters, coupling birth order with reporter expression. This gives us temporal resolution of lineage development that can be used to deconstruct an extended cell lineage by tracking the reporters expressed in the progeny. When targeted to the germ line, the same cascade progresses across animal generations, marking each generation with the corresponding combination of reporters. CLADES thus offers an innovative strategy for making programmable cascades of genes that can be used for genetic manipulation or to record serial biological events.