For more than 100 years, the fruit fly

Abstract How have complex brains evolved from simple circuits? Here we investigated brain region evolution at cell type resolution in the cerebellar nuclei (CN), the output structures of the cerebellum. Using single-nucleus RNA sequencing in mice, chickens, and humans, as well as STARmap spatial transcriptomic analysis and whole-CNS projection tracing in mice, we identified a conserved cell type set containing two classes of region-specific excitatory neurons and three classes of region-invariant inhibitory neurons. This set constitutes an archetypal CN that was repeatedly duplicated to form new regions. Interestingly, the excitatory cell class that preferentially funnels information to lateral frontal cortices in mice becomes predominant in the massively expanded human Lateral CN. Our data provide the first characterization of CN transcriptomic cell types in three species and suggest a model of brain region evolution by duplication and divergence of entire cell type sets.

Abstract Recognition of environmental cues is essential for the survival of all organisms. Precise transcriptional changes occur to enable the generation and function of the neural circuits underlying sensory perception. To gain insight into these changes, we generated single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory receptor neurons (ORNs), thermosensory and hygrosensory neurons from the third antennal segment at an early developmental and adult stage. We discovered that ORNs maintain expression of the same olfactory receptors across development. Using these receptors and computational approaches, we matched transcriptomic clusters corresponding to anatomically and physiologically defined neuronal types across multiple developmental stages. Cell-type-specific transcriptomes, in part, reflected axon trajectory choices in early development and sensory modality in adults. Our analysis also uncovered type-specific and broadly expressed genes that could modulate adult sensory responses. Collectively, our data reveal important transcriptomic features of sensory neuron biology and provides a resource for future studies of their development and physiology.

SUMMARY Like humans, insects rely on precise regulation of their internal environments to survive. The insect renal system consists of Malpighian tubules and nephrocytes that share similarities to the mammalian kidney. Studies of the Drosophila Malpighian tubules and nephrocytes have provided many insights into our understanding of the excretion of waste products, stem cell regeneration, protein reabsorption, and as human kidney disease models. Here, we analyzed single-nucleus RNA sequencing (snRNA-seq) data sets to characterize the cell types of the adult fly kidney. We identified 11 distinct clusters representing renal stem cells (RSCs), stellate cells (SCs), regionally specific principal cells (PCs), garland nephrocyte cells (GCs) and pericardial nephrocytes (PNs). Analyses of these clusters revealed many new interesting features. For example, we found a new, previously unrecognized cell cluster: lower segment PCs that express Esyt2 . In addition, we find that the SC marker genes RhoGEF64c , Frq2 , Prip and CG10939 regulate their unusual cell shape. Further, we identified transcription factors specific to each cluster and built a network of signaling pathways that are potentially involved in mediating cell-cell communication between Malpighian tubule cell types. Finally, cross-species analysis allowed us to match the fly kidney cell types to mouse kidney cell types and planarian protonephridia - knowledge that will help the generation of kidney disease models. To visualize this dataset, we provide a web-based resource for gene expression in single cells ( https://www.flyrnai.org/scRNA/kidney/ ). Altogether, our study provides a comprehensive resource for addressing gene function in the fly kidney and future disease studies.

Abstract Most cell fate trajectories during development follow a diverging, tree-like branching pattern, but the opposite can occur when distinct progenitors contribute to the same cell type. During this convergent differentiation, it is unknown if cells “remember” their origins transcriptionally or whether this influences cell behavior. Most coronary blood vessels of the heart develop from two different progenitor sources—the endocardium (Endo) and sinus venosus (SV)—but whether transcriptional or functional differences related to origin are retained is unknown. We addressed this by combining lineage tracing with single-cell RNA sequencing (scRNAseq) in embryonic and adult mouse hearts. Shortly after coronary development begins, capillary ECs transcriptionally segregated into two states that retained progenitor-specific gene expression. Later in development, when the coronary vasculature is well-established but still remodeling, capillary Ecs again segregated into two populations, but transcriptional differences were primarily related to tissue localization rather than lineage. Specifically, ECs in the heart septum expressed genes indicative of increased local hypoxia and decreased blood flow. Adult capillary ECs were more homogeneous with respect to both lineage and location. In agreement, SV- and Endo-derived ECs in adult hearts displayed similar responses to injury. Finally, scRNAseq of developing human coronary vessels indicated that the human heart followed similar principles. Thus, over the course of development, transcriptional heterogeneity in coronary ECs is first influenced by lineage, then by location, until heterogeneity declines in the homeostatic adult heart. These results highlight the plasticity of ECs during development, and the validity of the mouse as a model for human coronary development.

Abstract Neurons undergo substantial morphological and functional changes during development to form precise synaptic connections and acquire specific physiological features. What are the underlying transcriptomic bases? Here, we obtained the single-cell transcriptomes of Drosophila olfactory projection neurons (PNs) at four developmental stages. We decoded the identity of 21 transcriptomic clusters corresponding to 20 PN types and developed methods to match transcriptomic clusters representing the same PN type across development. We discovered that PN transcriptomes reflect unique biological processes unfolding at each stage—neurite growth and pruning during metamorphosis at an early pupal stage; peaked transcriptomic diversity during olfactory circuit assembly at mid-pupal stages; and neuronal signaling in adults. At early developmental stages, PN types with adjacent birth order share similar transcriptomes. Together, our work reveals principles of cellular diversity during brain development and provides a resource for future studies of neural development in PNs and other neuronal types.

Serotonin neurons of the dorsal and medial raphe nuclei (DR and MR) collectively innervate the entire forebrain and midbrain, modulating diverse physiology and behavior. To gain a fundamental understanding of their molecular heterogeneity, we used plate-based single-cell RNA-sequencing to generate a comprehensive dataset comprising eleven transcriptomically distinct serotonin neuron clusters. Systematic in situ hybridization mapped specific clusters to the principal DR, caudal DR, or MR. These transcriptomic clusters differentially express a rich repertoire of neuropeptides, receptors, ion channels, and transcription factors. We generated novel intersectional viral-genetic tools to access specific subpopulations. Whole-brain axonal projection mapping revealed that DR serotonin neurons co-expressing vesicular glutamate transporter-3 preferentially innervate the cortex, whereas those co-expressing thyrotropin-releasing hormone innervate subcortical regions in particular the hypothalamus. Reconstruction of 50 individual DR serotonin neurons revealed segregated axonal projection patterns at the single-cell level. Together, these results provide a molecular foundation of the heterogenous serotonin neuronal phenotypes.

Alzheimers disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease observed with aging that represents the most common form of dementia. To date, therapies targeting end-stage disease plaques, tangles, or inflammation have limited efficacy. Therefore, we set out to identify an earlier targetable phenotype. Utilizing a mouse model of AD and human fetal cells harboring mutant amyloid precursor protein, we show cell intrinsic neural precursor cell (NPC) dysfunction precedes widespread inflammation and amyloid plaque pathology, making it the earliest defect in the evolution of disease. We demonstrate that reversing impaired NPC self-renewal via genetic reduction of USP16, a histone modifier and critical physiological antagonist of the Polycomb Repressor Complex 1, can prevent downstream cognitive defects and decrease astrogliosis in vivo. Reduction of USP16 led to decreased expression of senescence gene Cdkn2a and mitigated aberrant regulation of the BMP pathway, a previously unknown function of USP16. Thus, we reveal USP16 as a novel target in an AD model that can both ameliorate the NPC defect and rescue memory and learning through its regulation of both Cdkn2a and BMP signaling.