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.

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.

Birds have a sex chromosome system in which females are heterogametic (ZW) and males are homogametic (ZZ). The differentiation of avian sex chromosomes from ancestral autosomes entailed the loss of most genes from the W chromosome during evolution. However, to what extent mechanisms evolved that counterbalance the consequences of this extensive gene dosage reduction in female birds has remained unclear. Here we report functional in vivo and evolutionary analyses of a Z-chromosome-linked microRNA (miR-2954) with strongly male-biased expression that was previously proposed to play a key role in sex chromosome dosage compensation 1 . We knocked out miR-2954 in chicken, which resulted in early embryonic lethality of homozygous knockout males, likely due to the highly specific upregulation of dosage-sensitive Z-linked target genes of miR-2954. Our evolutionary gene expression analyses further revealed that these dosage-sensitive target genes have become upregulated on the single Z in female birds during evolution. Altogether, our work unveils a scenario where evolutionary pressures on females following W gene loss led to the evolution of transcriptional upregulation of dosage-sensitive genes on the Z not only in female but also in male birds. The resulting overabundance of transcripts in males resulting from the combined activity of two dosage-sensitive Z gene copies was in turn offset by the emergence of a highly targeted miR-2954-mediated transcript degradation mechanism during avian evolution. Our findings demonstrate that birds have evolved a unique sex chromosome dosage compensation system in which a microRNA has become essential for male survival.

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.

In the past decade, the importance of the niche to provide regulatory inputs to balance stem cell self-renewal and differentiation has become clear. However, the regulatory interplay between stem cells and their niche at the whole genome level is still poorly understood. To elucidate the mechanisms controlling stem cells and their progenies as they progress through their developmental program at the transcriptional level, we recorded the regulatory program of two independent cell lineages in the Drosophila testis stem cell model. To this end, we identified genes active in the soma or germline as well as genome-wide binding profiles of two essential transcription factors, Zfh-1 and Abd-A, expressed in somatic support cells and crucial for fate acquisition of both cell lineages. Our data identified key roles for TOR signalling, signal processing V-ATPase proton pumps and the nuclear transport engaged nucleoporins and we demonstrate their importance in controlling germline maintenance, proliferation and differentiation from the support side. To make our dataset publicly available and support quick and intuitive data mining, we generated an interactive online analysis tool. Applying our tool for comparative analysis, we uncovered conserved core gene sets of adult stem cells across species boundaries. We have tested the functional relevance of these genes in the Drosophila testis and intestine and find a striking overrepresentation of stem cell defects when the corresponding genes were depleted. In summary, our dataset and interactive platform represents a versatile tool for identifying novel gene networks active in diverse stem cell types and provides a valuable resource for elucidating the multifaceted regulatory inputs required to guide proper stem cell behaviour.

During development cells become gradually restricted in their differentiation potential by the repression of alternative cell fates. While we know that the Polycomb complex plays a crucial role in this process, it still remains unclear how alternative fate genes are specifically targeted for silencing in different cell lineages. We address this question by studying Ultrabithorax (Ubx), a multi-lineage transcription factor (TF) of the Hox class, in the mesodermal and neuronal lineages using sorted nuclei of Drosophila embryos and by interfering with Ubx in mesodermal cells that have already initiated differentiation. We find that Ubx is a key regulator of lineage development, as its mesoderm-specific depletion leads to the de-repression of many genes normally expressed in other lineages. Ubx silences expression of alternative fate genes by interacting with and retaining the Polycomb Group (PcG) protein Pleiohomeotic (Pho) at Ubx targeted genomic regions, thereby setting repressive chromatin marks in a lineage-dependent manner. In sum, our study demonstrates that Ubx stabilizes lineage choice by suppressing the multi-potency encoded in the genome in a lineage-specific manner via its interaction with Pho. This mechanism may explain why the Hox code is maintained throughout the lifecycle, since it seems to set a block to transdifferentiation in many adult cells.

Data analysis based on enrichment of Gene Ontology terms has become an important step in exploring large gene or protein expression datasets and several stand-alone or web tools exist for that purpose. However, a comprehensive and consistent analysis downstream of the enrichment calculation is missing so far. With WEADE we present a free web application that offers an integrated workflow for the exploration of genomic data combining enrichment analysis with a versatile set of tools to directly compare and intersect experiments or candidate gene lists of any size or origin including cross-species data. Lastly, WEADE supports the graphical representation of output data in the form of functional interaction networks based on prior knowledge, allowing users to go from plain expression data to functionally relevant candidate sub-lists in an interactive and consistent manner.