Abstract We analyze more than 700,000 single-nucleus RNA-seq profiles from 106 donors during prenatal and postnatal developmental stages and identify lineage-specific programs that underlie the development of specific subtypes of excitatory cortical neurons, interneurons, glial cell types and brain vasculature. By leveraging single-nucleus chromatin accessibility data, we delineate enhancer-gene regulatory networks and transcription factors that control commitment of specific cortical lineages. By intersecting our results with genetic risk factors for human brain diseases, we identify the cortical cell types and lineages most vulnerable to genetic insults of different brain disorders, especially autism. We find that lineage-specific gene expression programs upregulated in female cells are especially enriched for the genetic risk factors of autism. Our study captures the molecular progression of cortical lineages across human development. One Sentence Summary Single-cell transcriptomic atlas of human cortical development identifies lineage and sex-specific programs and their implication in brain disorders.

Abstract The molecular mechanisms and evolutionary changes accompanying synapse development are still poorly understood. Here, we generated a cross-species proteomic map of synapse development in the human, macaque, and mouse neocortex. By tracking the changes of >1,000 postsynaptic density (PSD) proteins from midgestation to young adulthood, we found that PSD maturation in humans separates into three major phases that are dominated by distinct pathways. Cross-species comparisons reveal that the human PSD matures about two to three times slower than other species and contains higher levels of Rho guanine nucleotide exchange factors (RhoGEFs) in the perinatal period. Enhancement of the RhoGEF signaling in human neurons delays the morphological maturation of dendritic spines and the functional maturation of synapses, potentially contributing to the neotenic traits of human brain development. In addition, PSD proteins can be divided into four modules that exert stage- and cell type-specific functions, possibly explaining their differential associations with cognitive functions and diseases. Together, our proteomic map of synapse development provides a blueprint for studying the molecular basis and evolutionary changes of synapse maturation.

Summary The development of the human neocortex is a highly dynamic process and involves complex cellular trajectories controlled by cell-type-specific gene regulation 1 . Here, we collected paired single-nucleus chromatin accessibility and transcriptome data from 38 human neocortical samples encompassing both the prefrontal cortex and primary visual cortex. These samples span five main developmental stages, ranging from the first trimester to adolescence. In parallel, we performed spatial transcriptomic analysis on a subset of the samples to illustrate spatial organization and intercellular communication. This atlas enables us to catalog cell type-, age-, and area-specific gene regulatory networks underlying neural differentiation. Moreover, combining single-cell profiling, progenitor purification, and lineage-tracing experiments, we have untangled the complex lineage relationships among progenitor subtypes during the transition from neurogenesis to gliogenesis in the human neocortex. Specifically, we find a tripotential intermediate progenitor subtype termed Tri-IPC responsible for the local production of GABAergic neurons. Furthermore, by integrating our atlas data with large-scale GWAS data, we created a disease-risk map highlighting enriched ASD risk in second-trimester intratelencephalic projection neurons. Our study sheds light on the gene regulatory landscape and cellular dynamics of the developing human neocortex.

Duplication 15q (dup15q) syndrome is the most common genetic cause of autism spectrum disorder (ASD). Due to a higher genetic and phenotypic homogeneity compared to idiopathic autism, dup15q syndrome provides a well-defined setting to investigate ASD mechanisms. Previous bulk gene expression studies identified shared molecular changes in ASD. However, how cell type specific changes compare across different autism subtypes and how they change during development is largely unknown. In this study, we used single cell and single nucleus mRNA sequencing of dup15q cortical organoids from patient iPSCs, as well as post-mortem patient brain samples. We find cell-type specific dysregulated programs that underlie dup15q pathogenesis, which we validate by spatial resolved transcriptomics using brain tissue samples. We find degraded identity and vulnerability of deep-layer neurons in fetal stage organoids and highlight increased molecular burden of postmortem upper-layer neurons implicated in synaptic signaling, a finding shared between idiopathic ASD and dup15q syndrome. Gene co-expression network analysis of organoid and postmortem excitatory neurons uncovers modules enriched with autism risk genes. Organoid developmental modules were involved in transcription regulation via chromatin remodeling, while postmortem modules were associated with synaptic transmission and plasticity. The findings reveal a shifting landscape of ASD cellular vulnerability during brain development.