The vertebrate brain emerged more than ∼500 million years ago in common evolutionary ancestors. To systematically trace its cellular and molecular origins, we established a spatially resolved cell type atlas of the entire brain of the sea lamprey – a jawless species whose phylogenetic position affords the reconstruction of ancestral vertebrate traits – based on extensive single-cell RNA-seq and in situ sequencing data. Comparisons of this atlas to neural data from the mouse and other jawed vertebrates unveiled various shared features that enabled the reconstruction of the core cell type composition, tissue structures, and gene expression programs of the ancestral brain. However, our analyses also revealed key tissues and cell types that arose later in evolution. For example, the ancestral vertebrate brain was likely devoid of cerebellar cell types and oligodendrocytes (myelinating cells); our data suggest that the latter emerged from astrocyte-like evolutionary precursors on the jawed vertebrate lineage. Our work illuminates the cellular and molecular architecture of the ancestral vertebrate brain and provides a foundation for exploring its diversification during evolution.

The testis is a key male reproductive organ that produces gametes through the process of spermatogenesis. Testis morphologies and spermatogenesis evolve rapidly in mammals, presumably due to the evolutionary pressure on males to be reproductively successful 1,2 . The rapid evolution of the testis was shown to be reflected at the molecular level based on bulk-tissue work 3-8 , but the molecular evolution of individual spermatogenic cell types across mammalian lineages remains largely uncharacterized. Here we report evolutionary analyses of single-nucleus transcriptome data for testes from eleven species that cover the three major mammalian lineages (eutherians, marsupials, egg-laying monotremes) and birds (the evolutionary outgroup), and include seven key primates. Our analyses reveal that the rapid evolution of the testis is driven by accelerated fixation rates of gene expression changes, amino acid altering substitutions, and newly emerged genes in late spermatogenic stages – likely facilitated by reduced pleiotropic constraints, haploid selection, and a transcriptionally permissive chromatin environment. We identify temporal expression changes of individual genes across species, which may have contributed to the emergence of species-specific phenotypes, but also conserved expression programs underlying ancestral spermatogenic processes. Sex chromosome analyses show that genes predominantly expressed in spermatogonia (i.e., germ cells fueling spermatogenesis) and Sertoli cells (i.e., somatic supporting cells) independently accumulated on X chromosomes across mammals during evolution, presumably due to male-beneficial selective forces. Further work uncovered that the process of meiotic sex chromosome inactivation (MSCI) also occurs in monotremes and hence is common to the different mammalian sex chromosome systems, contrary to previous inferences 9 . Thus, the general mechanism of meiotic silencing of unsynapsed chromatin (MSUC), which underlies MSCI, represents an ancestral mammalian feature. Together, our study illuminates the cellular and molecular evolution of mammalian spermatogenesis and associated selective forces, and provides a resource for investigating the biology of the testis across mammals.

The expansion of the neocortex, one of the hallmarks of mammalian evolution 1,2 , was accompanied by an increase in the number of cerebellar neurons 3 . However, little is known about the evolution of the cellular programs underlying cerebellum development in mammals. In this study, we generated single-nucleus RNA-sequencing data for ∼400,000 cells to trace the development of the cerebellum from early neurogenesis to adulthood in human, mouse, and the marsupial opossum. Our cross-species analyses revealed that the cellular composition and differentiation dynamics throughout cerebellum development are largely conserved, except for human Purkinje cells. Global transcriptome profiles, conserved cell state markers, and gene expression trajectories across neuronal differentiation show that the cerebellar cell type-defining programs have been overall preserved for at least 160 million years. However, we also discovered differences. We identified 3,586 genes that either gained or lost expression in cerebellar cells in one of the species, and 541 genes that evolved new expression trajectories during neuronal differentiation. The potential functional relevance of these cross-species differences is highlighted by the diverged expression patterns of several human disease-associated genes. Altogether, our study reveals shared and lineage-specific programs governing the cellular development of the mammalian cerebellum, and expands our understanding of the evolution of mammalian organ development.

Understanding the cellular origins of childhood brain tumors is key for discovering novel tumor-specific therapeutic targets. Previous strategies mapping cellular origins typically involved comparing human tumors to murine embryonal tissues 1,2 , a potentially imperfect approach due to spatio-temporal gene expression differences between species 3 . Here we use an unprecedented single-nucleus atlas of the developing human cerebellum (Sepp, Leiss, et al) and extensive bulk and single-cell transcriptome tumor data to map their cellular origins with focus on three most common pediatric brain tumors – pilocytic astrocytoma, ependymoma, and medulloblastoma. Using custom bioinformatics approaches, we postulate the astroglial and glial lineages as the origins for posterior fossa ependymomas and radiation-induced gliomas (secondary tumors after medulloblastoma treatment), respectively. Moreover, we confirm that SHH, Group3 and Group4 medulloblastomas stem from granule cell/unipolar brush cell lineages, whereas we propose pilocytic astrocytoma to originate from the oligodendrocyte lineage. We also identify genes shared between the cerebellar lineage of origin and corresponding tumors, and genes that are tumor specific; both gene sets represent promising therapeutic targets. As a common feature among most cerebellar tumors, we observed compositional heterogeneity in terms of similarity to normal cells, suggesting that tumors arise from or differentiate into multiple points along the cerebellar “lineage of origin”.

Abstract Organ development is orchestrated by cell- and time-specific gene regulatory networks. Here we investigated the regulatory basis of mouse cerebellum development from early neurogenesis to adulthood. By acquiring snATAC-seq profiles for ~90,000 cells spanning eleven stages, we mapped all major cerebellar cell types and identified candidate cis -regulatory elements (CREs). We detected extensive spatiotemporal heterogeneity among progenitor cells and characterized the regulatory programs underlying the differentiation of cerebellar neurons. Although CRE activity is predominantly cell type- and time-specific, periods of greater regulatory change are shared across cell types. There is a universal decrease in CRE conservation and pleiotropy during development and differentiation, but the degree of evolutionary constraint differs between cerebellar cell types. Our work delineates the developmental and evolutionary dynamics of gene regulation in cerebellar cells and provides general insights into mammalian organ development.

The advanced cognitive abilities of birds rival those of mammals and have been attributed to evolutionary innovations in the pallium. However, a comprehensive cellular characterization of this brain region in birds has been lacking. We scrutinized the structures, cell types and evolutionary origins of the avian pallium based on single-cell and spatial transcriptomics atlases for the adult and developing chicken, and comparisons to corresponding data from mammals and non-avian reptiles. We found that the avian pallium shares most inhibitory neuron types with other amniotes. While excitatory neuron repertoires in the (medial) hippocampal formation show high conservation, they substantially diverged in other pallial regions during avian evolution, defining novel structures like the avian-specific (dorsal) hyperpallium, whose neuronal gene expression identities partly converge during late development with those of the (ventral) nidopallium. Our work also unveils the evolutionary relationships of pallial structures across amniotes, like the previously unknown homology between avian (lateral) mesopallial and mammalian deep layer cortical neurons.

Abstract Resolving the molecular mechanisms driving childhood brain tumors will uncover tumor-specific vulnerabilities and advance mechanism-of-action-based therapies. Here we describe a continuum of cell-states in Group 3/4 medulloblastomas, the most frequent and fatal cerebellar embryonal tumor subgroups, based on the differential activity of transcription-factor-driven gene networks derived using a comprehensive single-nucleus multi-omic medulloblastoma atlas. We show that Group 3/4 tumor diversity stems from enriched cell-states along four molecular identity axes: photoreceptor, MYC, precursor, and unipolar brush cell-like. We identified a potential role of PAX6 in driving dual Group 3- and Group 4-like tumor trajectories in subtype VII tumors. Our study demonstrates how oncogenic events together with lineage determinants drive Group 3/4 tumor identity away from their original source in the cerebellar unipolar brush cell lineage.

Abstract Despite recent advances in understanding disease biology, treatment of Group 3/4 medulloblastoma remains a therapeutic challenge in pediatric neuro-oncology. Bulk-omics approaches have identified considerable intertumoral heterogeneity in Group 3/4 medulloblastoma, including the presence of clear single-gene oncogenic drivers in only a subset of cases, whereas in the majority of cases, large-scale copy-number aberrations prevail. However, intratumoral heterogeneity, the role of oncogene aberrations, and broad CNVs in tumor evolution and treatment resistance remain poorly understood. To dissect this interplay, we used single-cell technologies (snRNA-seq, snATAC-seq, spatial transcriptomics) on a cohort of Group 3/4 medulloblastoma with known alterations in the oncogenes MYC, MYCN , and PRDM6 . We show that large-scale chromosomal aberrations are early tumor initiating events, while the single-gene oncogenic events arise late and are typically sub-clonal, but MYC can become clonal upon disease progression to drive further tumor development and therapy resistance. We identify that the subclones are mostly interspersed across tumor tissue using spatial transcriptomics, but clear segregation is also present. Using a population genetics model, we estimate medulloblastoma initiation in the cerebellar unipolar brush cell-lineage starting from the first gestational trimester. Our findings demonstrate how single-cell technologies can be applied for early detection and diagnosis of this fatal disease.

Abstract Familial Dysautonomia (FD) is an autosomal recessive disorder caused by a splice site mutation in the gene ELP1, which disproportionally affects neurons. While classically characterized by deficits in sensory and autonomic neurons, neuronal defects in the central nervous system have been described. ELP1 is highly expressed in the normal developing and adult cerebellum, but its role in cerebellum development is unknown. To investigate the cerebellar function of Elp1, we knocked out Elp1 in cerebellar granule cell progenitors (GCPs) and examined the outcome on animal behavior and cellular composition. We found that GCP-specific conditional knockout of Elp1 (Elp1 cKO ) resulted in ataxia by 8 weeks of age. Cellular characterization showed that the animals had smaller cerebella with fewer granule cells. This defect was already apparent 7 days after birth, when Elp1 cKO animals also exhibited fewer mitotic GCPs and shorter Purkinje dendrites. Through molecular characterization, we found that loss of Elp1 was associated with an increase in apoptotic cell death and cell stress pathways in GCPs. Our study demonstrates the importance of ELP1 within the developing cerebellum, and suggests that Elp1 loss in the GC lineage may also play a role in the progressive ataxia phenotypes of FD patients.