We have produced gene expression profiles of all 302 neurons of the C. elegans nervous system that match the single-cell resolution of its anatomy and wiring diagram. Our results suggest that individual neuron classes can be solely identified by combinatorial expression of specific gene families. For example, each neuron class expresses distinct codes of ∼23 neuropeptide genes and ∼36 neuropeptide receptors, delineating a complex and expansive “wireless” signaling network. To demonstrate the utility of this comprehensive gene expression catalog, we used computational approaches to (1) identify cis-regulatory elements for neuron-specific gene expression and (2) reveal adhesion proteins with potential roles in process placement and synaptic specificity. Our expression data are available at https://cengen.org and can be interrogated at the web application CengenApp. We expect that this neuron-specific directory of gene expression will spur investigations of underlying mechanisms that define anatomy, connectivity, and function throughout the C. elegans nervous system.

Abstract A single neuron and its synapses define the fundamental structural motif of the brain but the underlying gene expression programs that specify individual neuron types are poorly understood. To address this question in a model organism, we have produced a gene expression profile of >90% of the individual neuron classes in the C. elegans nervous system, an ensemble of neurons for which both the anatomy and connectivity are uniquely defined at single cell resolution. We generated single cell transcriptomes for 52,412 neurons that resolve as clusters corresponding to 109 of the canonical 118 neuron classes in the mature hermaphrodite nervous system. Detailed analysis revealed molecular signatures that further subdivide identified classes into specific neuronal subtypes. Notably, neuropeptide-related genes are often differentially expressed between subtypes of the given neuron class which points to distinct functional characteristics. All of these data are publicly available at our website ( http://www.cengen.org ) and can be interrogated at the web application SCeNGEA ( https://cengen.shinyapps.io/SCeNGEA ). We expect that this gene expression catalog will spur the goal of delineating the underlying mechanisms that define the developmental lineage, detailed anatomy, synaptic connectivity and function of each type of C. elegans neuron.

Summary Nervous systems are constructed from a deep repertoire of neuron types but the underlying gene expression programs that specify individual neuron identities are poorly understood. To address this deficit, we have produced an expression profile of all 302 neurons of the C. elegans nervous system that matches the single cell resolution of its anatomy and wiring diagram. Our results suggest that individual neuron classes can be solely identified by combinatorial expression of specific gene families. For example, each neuron class expresses unique codes of ∼23 neuropeptide-encoding genes and ∼36 neuropeptide receptors thus pointing to an expansive “wireless” signaling network. To demonstrate the utility of this uniquely comprehensive gene expression catalog, we used computational approaches to (1) identify cis-regulatory elements for neuron-specific gene expression across the nervous system and (2) reveal adhesion proteins with potential roles in synaptic specificity and process placement. These data are available at cengen.org and can be interrogated at the web application CengenApp. We expect that this neuron-specific directory of gene expression will spur investigations of underlying mechanisms that define anatomy, connectivity and function throughout the C. elegans nervous system.

Abstract Neuron-specific morphology and function are fundamentally tied to differences in gene expression across the nervous system. We previously generated a single cell RNA-seq dataset for every anatomical neuron class in the C. elegans hermaphrodite. Here we present a complementary set of bulk RNA-seq samples for 41 of the 118 neuron classes in C. elegans . We show that the bulk dataset captures both lowly expressed and noncoding RNAs that are missed in the single cell dataset, but also includes false positives due to contamination by other cell types. We present an integrated analytical strategy that effectively resolves both the low sensitivity of single cell RNA-seq data and the reduced specificity of bulk RNA-Seq. We show that this integrated dataset enhances the sensitivity and accuracy of transcript detection and quantification of differentially expressed genes. We propose that our approach provides a new tool for interrogating gene expression, by bridging the gap between old (bulk) and new (single cell) methodologies for transcriptomic studies. We suggest that these datasets will advance the goal of delineating the mechanisms that define neuronal morphology and connectivity in C. elegans .

Abstract Mutations in the RNA helicase, DDX3X , are a leading cause of Intellectual Disability and present as DDX3X syndrome, a neurodevelopmental disorder associated with cortical malformations and autism. Yet the cellular and molecular mechanisms by which DDX3X controls cortical development are largely unknown. Here, using a mouse model of Ddx3x loss-of-function we demonstrate that DDX3X directs translational and cell cycle control of neural progenitors, which underlies precise corticogenesis. First, we show brain development is highly sensitive to Ddx3x dosage; Complete Ddx3x loss from neural progenitors causes microcephaly in females, whereas hemizygous males and heterozygous females show reduced neurogenesis without marked microcephaly. In addition, Ddx3x loss is sexually dimorphic, as its paralog, Ddx3y, compensates for Ddx3x in the developing male neocortex. Using live imaging of progenitors, we show that DDX3X promotes neuronal generation by regulating both cell cycle duration and neurogenic divisions. Finally, we use ribosome profiling in vivo to discover the repertoire of translated transcripts in neural progenitors, including those which are DDX3X-dependent and essential for neurogenesis. Our study reveals invaluable new insights into the etiology of DDX3X syndrome, implicating dysregulated progenitor cell cycle dynamics and translation as pathogenic mechanisms.

Abstract Alternative splicing is a key mechanism that shapes neuronal transcriptomes, helping to define neuronal identity and modulate function. Here, we present an atlas of alternative splicing across the nervous system of Caenorhabditis elegans . Our analysis identifies novel alternative splicing in key neuronal genes such as unc-40 /DCC and sax-3 /ROBO. Globally, we delineate patterns of differential alternative splicing in almost 2,000 genes, and estimate that a quarter of neuronal genes undergo differential splicing. We introduce a web interface for examination of splicing patterns across neuron types. We explore the relationship between neuron type and splicing patterns, and between splicing patterns and differential gene expression. We identify RNA features that correlate with differential alternative splicing, and describe the enrichment of microexons. Finally, we compute a splicing regulatory network that can be used to generate hypotheses on the regulation and targets of alternative splicing in neurons.