Summary

 Genetic changes causing brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and is a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find that three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia. Functional analysis reveals that different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation into cortical neurons. Furthermore, NOTCH2NL genes provide the breakpoints in 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of human-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger human neocortex, accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and resulting recurrent neurodevelopmental disorders.

Abstract Organismal growth and development rely on RNA Polymerase II (RNAPII) synthesizing the appropriate repertoire of messenger RNAs (mRNAs) from protein-coding genes. Productive elongation of full-length transcripts is essential for mRNA function, however what determines whether an engaged RNAPII molecule will terminate prematurely or transcribe processively remains poorly understood. Notably, despite a common process for transcription initiation across RNAPII-synthesized RNAs 1 , RNAPII is highly susceptible to termination when transcribing non-coding RNAs such as upstream antisense RNAs (uaRNAs) and enhancers RNAs (eRNAs) 2 , suggesting that differences arise during RNAPII elongation. To investigate the impact of transcribed sequence on elongation potential, we developed a method to screen the effects of thousands of IN tegrated S equences on E xpression of R NA and T ranslation using high-throughput sequencing (INSERT-seq). We found that higher AT content in uaRNAs and eRNAs, rather than specific sequence motifs, underlies the propensity for RNAPII termination on these transcripts. Further, we demonstrate that 5’ splice sites exert both splicing-dependent and autonomous, splicing-independent stimulation of transcription, even in the absence of polyadenylation signals. Together, our results reveal a potent role for transcribed sequence in dictating gene output at mRNA and non-coding RNA loci, and demonstrate the power of INSERT-seq towards illuminating these contributions.

Abstract The relationship between cohesin-mediated chromatin looping and gene expression remains unclear. We investigated the roles of NIPBL and WAPL, two regulators of cohesin activity, in chromatin folding and transcription in human cells. Consistent with their opposing roles in cohesin regulation, depletion of these factors showed opposite effects on levels of chromatin-bound cohesin and spatial insulation of neighboring domains. We find that NIPBL or WAPL depletion each alter the expression of ~2,000 genes, most of which are uniquely sensitive to either regulator. We find that each set of differentially expressed genes are enriched at chromatin loop anchors and clustered within the genome, suggesting there are genomic regions sensitive to either more or less cohesin. Remarkably, co-depletion of both regulators rescued chromatin misfolding and gene misexpression compared to either single knockdown. Taken together, we present a model in which the relative, rather than absolute, levels of NIPBL and WAPL are required to balance cohesin activity in chromatin folding to regulate transcription.

SUMMARY The cerebral cortex has expanded in size and complexity in primates, yet the underlying molecular mechanisms are obscure. We generated cortical organoids from human, chimpanzee, orangutan, and rhesus pluripotent stem cells and sequenced their transcriptomes at weekly time points for comparative analysis. We used transcript structure and expression conservation to discover thousands of expressed long non-coding RNAs (lncRNAs). Of 2,975 human, multi-exonic lncRNAs, 2,143 were structurally conserved to chimpanzee, 1,731 to orangutan, and 1,290 to rhesus. 386 human lncRNAs were transiently expressed (TrEx) and a similar expression pattern was often observed in great apes (46%) and rhesus (31%). Many TrEx lncRNAs were associated with neuroepithelium, radial glia, or Cajal-Retzius cells by single cell RNA-sequencing. 3/8 tested by ectopic expression showed ≥2-fold effects on neural genes. This rich resource of primate expression data in early cortical development provides a framework for identifying new, potentially functional lncRNAs.

Genetic changes causing dramatic brain size expansion in human evolution have remained elusive. Notch signaling is essential for radial glia stem cell proliferation and a determinant of neuronal number in the mammalian cortex. We find three paralogs of human-specific NOTCH2NL are highly expressed in radial glia cells. Functional analysis reveals different alleles of NOTCH2NL have varying potencies to enhance Notch signaling by interacting directly with NOTCH receptors. Consistent with a role in Notch signaling, NOTCH2NL ectopic expression delays differentiation of neuronal progenitors, while deletion accelerates differentiation. NOTCH2NL genes provide the breakpoints in typical cases of 1q21.1 distal deletion/duplication syndrome, where duplications are associated with macrocephaly and autism, and deletions with microcephaly and schizophrenia. Thus, the emergence of hominin-specific NOTCH2NL genes may have contributed to the rapid evolution of the larger hominin neocortex accompanied by loss of genomic stability at the 1q21.1 locus and a resulting recurrent neurodevelopmental disorder.