During corticogenesis, distinct subtypes of neurons are sequentially born from ventricular zone progenitors. How these cells are molecularly temporally patterned is poorly understood. We used single-cell RNA sequencing at high temporal resolution to trace the lineage of the molecular identities of successive generations of apical progenitors (APs) and their daughter neurons in mouse embryos. We identified a core set of evolutionarily conserved, temporally patterned genes that drive APs from internally driven to more exteroceptive states. We found that the Polycomb repressor complex 2 (PRC2) epigenetically regulates AP temporal progression. Embryonic age-dependent AP molecular states are transmitted to their progeny as successive ground states, onto which essentially conserved early postmitotic differentiation programs are applied, and are complemented by later-occurring environment-dependent signals. Thus, epigenetically regulated temporal molecular birthmarks present in progenitors act in their postmitotic progeny to seed adult neuronal diversity.

During cortical development, distinct subtypes of glutamatergic neurons are sequentially born and differentiate from dynamic populations of progenitors. The neurogenic competence of these progenitors progresses as corticogenesis proceeds; likewise, newborn neurons transit through sequential states as they differentiate. Here, we trace the developmental transcriptional trajectories of successive generations of apical progenitors (APs) and isochronic cohorts of their daughter neurons using parallel single-cell RNA sequencing between embryonic day (E) 12 and E15 in the mouse cerebral cortex. Our results identify the birthdate- and differentiation stage-related transcriptional dynamics at play during corticogenesis. As corticogenesis proceeds, APs transit through embryonic age-dependent molecular states, which are transmitted to their progeny to generate successive initial daughter cell identities. In neurons, essentially conserved post-mitotic differentiation programs are applied onto these distinct AP-derived ground states, allowing temporally-regulated sequential emergence of specialized neuronal cell types. Molecular temporal patterning of sequentially-born daughter neurons by their respective mother cell thus underlies emergence of neuronal diversity in the neocortex. One Sentence Summary During corticogenesis, temporally dynamic molecular birthmarks are transmitted from progenitors to their post-mitotic progeny to generate neuronal diversity.

Abstract The mammalian telencephalon contains a tremendous diversity of GABAergic projection neuron and interneuron types, that originate in a germinal zone of the embryonic basal ganglia. How genetic information in this transient structure is transformed into different cell types is not yet fully understood. Using a combination of in vivo CRISPR perturbation, lineage tracing, and ChIP-seq in mice, we found that the transcription factor MEIS2 favors the development of projection neurons through genomic binding sites in regulatory enhancers of projection neuron specific genes. MEIS2 requires the presence of the homeodomain transcription factor DLX5 to direct its functional activity towards these sites. In interneuron precursors, the activation of projection neuron specific enhancers by MEIS2 and DLX5 is repressed by the transcription factor LHX6. When MEIS2 carries a mutation associated with intellectual disability in humans, it is less effective at activating enhancers involved in projection neuron development. This suggests that GABAergic differentiation may be impaired in patients carrying this mutation. Our research supports a model (“Differential Binding‘) where the spatial specific composition of transcription factors at cis -regulatory elements determines differential gene expression and cell fate decisions in the ganglionic eminence.

Abstract Astrocytes represent one of the most abundant cell types in the central nervous system, and play an essential role in nearly all aspects of brain functions 1 . Recent studies have challenged the notion that cortical astrocytes are a uniform population, and have highlighted their diverse characteristics at the morphological, molecular, and functional levels 2-5 . However, how this diversity originates and establishes during cortical development, remains largely unknown. Using single-cell RNA sequencing, we identified five distinct astrocyte subtypes displaying unique spatial patterns in the mouse neocortex, and discovered essential regulators for their formation. Furthermore, we used TrackerSeq 6 , a method that integrates heritable DNA barcodes into the genome of electroporated progenitors, to track clonally related astrocytes, and identified two distinct lineages that give rise to the five astrocyte subtypes. The first lineage derives from Emx1 + multipotent progenitors that first generate neurons and then switch to produce cortical astrocytes. The second lineage stems from a fate-restricted progenitor population that exclusively gives rise to a specific subset of cortical astrocytes, marked by Olig2. The knockout of this gene in cortical progenitors is sufficient to promote a fate switch between the two lineages. These findings offer novel insights into the cellular mechanisms underlying astrocyte diversity, highlighting the presence of multiple progenitor subtypes, responsible for generating distinct subtypes of astrocytes.

Abstract Inhibitory neurons of the telencephalon are generated from progenitors in the ganglionic eminences that mature and differentiate into specialized cell types. Here, we used single cell transcriptomics and single cell chromatin accessibility together with lineage tracing and birthdating techniques to investigate the influence of progenitor competence on the development of GABAergic precursors. We found that the timing of neurogenesis influences the maturation competence of progenitors to develop towards a fully functional state, but not their differentiation competence to evolve into transcriptomically diverse states. The underlying mechanism defining maturation competence was chromatin priming, orchestrated by the transcription factor Nfib in collaboration with regulators of inhibitory neuron development. Finally, transplantation experiments revealed an interplay between both intrinsic and extrinsic cues acting upon maturation competence. These findings identify a mechanism that coordinates inhibitory neuron development by changing its maturation to achieve maximum adaptability to their environment.