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 Autism spectrum disorder (ASD) is a genetically heterogeneous disorder linked with rare, inherited and de novo mutations occurring in two main functional gene categories: gene expression regulation and synaptic function 1 . Accumulating evidence points to dysregulation in cortical neurogenesis as a convergent mechanism in ASD pathophysiology 2-8 . While asynchronous development has been identified as a shared feature among ASD-risk genes in the category of gene expression regulation, it remains unknown whether this phenotype is also associated with ASD-risk genes in the synaptic function category. Here we show for the first time the expression of the synaptic Ras GTP-ase activating protein 1 (SYNGAP1), one of the top ASD risk genes 9 , in human cortical progenitors (hCPs). Interestingly, we found that multiple components of the postsynaptic density (PSD) of excitatory synapses, of which SYNGAP1 is one of the most abundant components 10,11 , are enriched in the proteome of hCPs. Specifically, we discover that SYNGAP1 is expressed within the apical domain of human radial glia cells (hRGCs) where it lines the wall of the developing cortical ventricular zone colocalizing with the tight junction-associated protein and MAGUK family member TJP1. In a cortical organoid model of SYNGAP1 haploinsufficiency, we show dysregulated cytoskeletal dynamics that impair the scaffolding and division plane of hRGCs, resulting in disrupted lamination of the cortical plate and accelerated maturation of cortical projection neurons. Overall, the discovery of the expression and function of SYNGAP1 in cortical progenitor cells reframes our understanding of the pathophysiology of SYNGAP1-related disorders and, more broadly, underscores the importance of dissecting the role of synaptic genes associated with neurodevelopmental disorders in distinct cell types across developmental stages.

Abstract Cortical interneurons are indispensable for proper function of neocortical circuits. Changes in interneuron development and function are implicated in human disorders, such as autism spectrum disorder and epilepsy. In order to understand human-specific features of cortical development as well as the origins of neurodevelopmental disorders it is crucial to identify the molecular programs underlying human interneuron development and subtype specification. Recent studies have explored gene expression programs underlying mouse interneuron specification and maturation. We applied single-cell RNA sequencing to samples of second trimester human ganglionic eminence and developing cortex to identify molecularly defined subtypes of human interneuron progenitors and immature interneurons. In addition, we integrated this data from the developing human ganglionic eminences and neocortex with single-nucleus RNA-seq of adult cortical interneurons in order to elucidate dynamic molecular changes associated with commitment of progenitors and immature interneurons to mature interneuron subtypes. By comparing our data with published mouse single-cell genomic data, we discover a number of divergent gene expression programs that distinguish human interneuron progenitors from mouse. Moreover, we find that a number of transcription factors expressed during prenatal development become restricted to adult interneuron subtypes in the human but not the mouse, and these adult interneurons express species- and lineage-specific cell adhesion and synaptic genes. Therefore, our study highlights that despite the similarity of main principles of cortical interneuron development and lineage commitment between mouse and human, human interneuron genesis and subtype specification is guided by species-specific gene programs, contributing to human-specific features of cortical inhibitory interneurons.

The temporal lobe of the human brain contains the entorhinal cortex (EC). This region of the brain is a highly interconnected integrative hub for sensory and spatial information; it also has a key role in episodic memory formation and is the main source of cortical hippocampal inputs1-4. The human EC continues to develop during childhood5, but neurogenesis and neuronal migration to the EC are widely considered to be complete by birth. Here we show that the human temporal lobe contains many young neurons migrating into the postnatal EC and adjacent regions, with a large tangential stream persisting until the age of around one year and radial dispersal continuing until around two to three years of age. By contrast, we found no equivalent postnatal migration in rhesus macaques (Macaca mulatta). Immunostaining and single-nucleus RNA sequencing of ganglionic eminence germinal zones, the EC stream and the postnatal EC revealed that most migrating cells in the EC stream are derived from the caudal ganglionic eminence and become LAMP5+RELN+ inhibitory interneurons. These late-arriving interneurons could continue to shape the processing of sensory and spatial information well into postnatal life, when children are actively interacting with their environment. The EC is one of the first regions of the brain to be affected in Alzheimer's disease, and previous work has linked cognitive decline to the loss of LAMP5+RELN+ cells6,7. Our investigation reveals that many of these cells arrive in the EC through a major postnatal migratory stream in early childhood.

The entorhinal cortex (EC) is a highly-interconnected hub for multisensory integration and memory processing 1–3 , containing diverse neuronal subtypes 4,5 including subpopulations that are uniquely spatially-tuned 6,7 . Although many spatial and memory functions develop in infancy, it is considered that neurogenesis and neuronal migration to the EC occurs prenatally. Here we show that the postnatal human temporal lobe contains a prominent stream with large chains of young migrating neurons and many individual neurons breaking away directed into the EC. The EC stream forms between the second and third trimesters of prenatal development when the lateral ventricle walls in the temporal lobe collapse, displacing the subventricular zone (SVZ) and dividing radial glia. At birth, the EC stream follows a path of radial glial fibers in the site of the collapsed ventricle. Migratory chains persist up to 11 months postnatally; however, many individually migrating young neurons can still be detected in the EC at 2 years of age and a few isolated cells at 3 years of age. Within the EC at birth, immature neurons are a mixed population expressing markers of the medial ganglionic eminence (MGE) and caudal ganglionic eminence (CGE), but postnatally rapidly become primarily CGE-derived. Using single-nuclei RNAseq we identified these lineages and found that the MGE-derived neurons matured at earlier postnatal ages compared to those derived from the CGE. The CGE interneurons arriving and maturing the latest included subtypes expressing calretinin (CR), reelin (RELN), and vasoactive intestinal protein (VIP) many of which settle in layer II of the entorhinal cortex. This study reveals that the human EC is still being constructed during the first years of life revealing the largest known postnatal stream of migratory neurons in humans. The protracted postnatal arrival of a diverse population of interneurons could contribute to plasticity 8,9 and proper excitation-inhibition balance 10,11 within these highly connected brain circuits.

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.

ABSTRACT NEMO is a ubiquitin-binding protein which regulates canonical NF-κB pathway activation in innate immune signaling, cell death regulation and host-pathogen interactions. Here we identified an NF-κB-independent function of NEMO in proteostasis regulation by promoting autophagosomal clearance of protein aggregates. NEMO-deficient cells accumulate misfolded proteins upon proteotoxic stress and are vulnerable to proteostasis challenges. Moreover, a patient with a mutation in the NEMO gene resulting in defective binding of NEMO to linear ubiquitin chains, developed a widespread mixed brain proteinopathy, including α-synuclein, tau and TDP-43 pathology. NEMO amplifies linear ubiquitylation at α-synuclein aggregates and promotes the local concentration of p62 into foci. In vitro, NEMO lowers the threshold concentrations required for ubiquitin-dependent phase transition of p62. In summary, NEMO reshapes the aggregate surface for efficient autophagosomal clearance by providing a mobile phase at the aggregate interphase favoring co-condensation with p62.