Abstract The mammalian neocortex differs vastly in size and complexity between mammalian species, yet the mechanisms that lead to an increase in brain size during evolution are not known. We show here that two transcription factors coordinate gene expression programs in progenitor cells of the neocortex to regulate their proliferative capacity and neuronal output in order to determine brain size. Comparative studies in mice, ferrets and macaques demonstrate an evolutionary conserved function for these transcription factors to regulate progenitor behaviors across the mammalian clade. Strikingly, the two transcriptional regulators control the expression of large numbers of genes linked to microcephaly suggesting that transcriptional deregulation as an important determinant of the molecular pathogenesis of microcephaly, which is consistent with the finding that genetic manipulation of the two transcription factors leads to severe microcephaly.

ABSTRACT Osmotic equilibrium and membrane potential in animal cells depend on concentration gradients of sodium (Na + ) and potassium (K + ) ions across the plasma membrane, a function that is catalyzed by the Na,K-ATPase alpha subunit. In vertebrates, four paralogous genes, ATP1A1-4 , encode distinct alpha subunit isoforms ( a 1 -a 4 ), three of which ( a 1 , a 2 , a 3 ) are expressed in the brain, and two ( a 1 , a 3 ) predominantly in neurons. The a 3 isoform, encoded by ATP1A3 , is critical to neuronal physiology, and a growing spectrum of neurological diseases are associated with ATP1A3 pathogenic variants, with ages of onset ranging from early childhood to adulthood. Here, we describe ATP1A3 variants encoding dysfunctional a 3 subunits in children affected by polymicrogyria, a developmental malformation of the cerebral cortex characterized by abnormal folding and laminar organization. To gain cell-biological insights into the spatiotemporal dynamics of prenatal ATP1A3 expression, we established a transcriptional atlas of ATP1A3 expression during cortical development using mRNA in situ hybridization and transcriptomic profiling of ~125,000 individual cells with single-cell RNA sequencing (Drop-Seq) from various areas of the midgestational human neocortex. We find that fetal expression of ATP1A3 is restricted to a subset of excitatory neurons carrying transcriptional signatures of neuronal activity and maturation characteristic of the developing subplate. Furthermore, by performing Drop-Seq on ~52,000 nuclei from four different areas of an infant human neocortex, we show that ATP1A3 expression persists throughout early postnatal development, not only within excitatory neurons across all cortical layers, but also and more predominantly in inhibitory neurons, with specific enrichment in fast-spiking basket cells. In addition, we show that ATP1A3 expression, both in fetal and postnatal neurons, tends to be higher in frontal cortical areas than in occipital areas, in a pattern consistent with the rostro-caudal maturation gradient of the human neocortex. Finally, we discover distinct co-expression patterns linking catalytic α subunit isoforms ( ATP1A1,2,3 ) and auxiliary isoforms ( ATP1B1,2,3 ), suggesting the ATPase pump may form non-redundant, cell-type specific α-β combinations. Together, the importance of the developmental phenotypes and dynamic expression patterns of ATP1A3 point to a key role for a3 in the development and function of human cortex.

Primates and rodents, which descended from a common ancestor more than 90 million years ago, exhibit profound differences in behavior and cognitive capacity. Modifications, specializations, and innovations to brain cell types may have occurred along each lineage. We used Drop-seq to profile RNA expression in more than 184,000 individual telencephalic interneurons from humans, macaques, marmosets, and mice. Conserved interneuron types varied significantly in abundance and RNA expression between mice and primates, but varied much more modestly among primates. In adult primates, the expression patterns of dozens of genes exhibited spatial expression gradients among neocortical interneurons, suggesting that adult neocortical interneurons are imprinted by their local cortical context. In addition, we found that an interneuron type previously associated with the mouse hippocampus--the "ivy cell", which has neurogliaform characteristics--has become abundant across the neocortex of humans, macaques, and marmosets. The most striking innovation was subcortical: we identified an abundant striatal interneuron type in primates that had no molecularly homologous cell population in mouse striatum, cortex, thalamus, or hippocampus. These interneurons, which expressed a unique combination of transcription factors, receptors, and neuropeptides, including the neuropeptide TAC3, constituted almost 30% of striatal interneurons in marmosets and humans. Understanding how gene and cell-type attributes changed or persisted over the evolutionary divergence of primates and rodents will guide the choice of models for human brain disorders and mutations and help to identify the cellular substrates of expanded cognition in humans and other primates.

Abstract PRDM16 is a dynamic transcriptional regulator of various stem cell niches, including adipocytic, hematopoietic, cardiac progenitors, and neural stem cells. PRDM16 has been suggested to contribute to 1p36 deletion syndrome, one of the most prevalent subtelomeric microdeletion syndromes. We report a patient with a de novo nonsense mutation in the PRDM16 coding sequence, accompanied by lissencephaly and microcephaly features. Human stem cells were genetically modified to mimic this mutation, generating cortical organoids that exhibited altered cell cycle dynamics. RNA sequencing of cortical organoids at day 32 unveiled changes in cell adhesion and WNT-signaling pathways. ChIP-seq of PRDM16 identified binding sites in postmortem human fetal cortex, indicating the conservation of PRDM16 binding to developmental genes in mice and humans, potentially at enhancer sites. A shared motif between PRDM16 and LHX2 was identified and further examined through comparison with LHX2 ChIP-seq data from mice. These results suggested a collaborative partnership between PRDM16 and LHX2 in regulating a common set of genes and pathways in cortical radial glia cells, possibly via their synergistic involvement in cortical development.