Building a brain The human brain is built in an inside-out manner as a series of layers. Although progenitor cells spin off new neurons in a seemingly organized fashion, the devil is in the details. Nowakowski et al. analyzed the transcriptomes of single cells from the developing brain to elucidate the hidden complexity of brain construction. For each cell, its position within the brain matters, as well as what type of neuron is being made at what point during overall development. These individual expression patterns result in organized diversity in the brain's cortex. Science , this issue p. 1318

Radial glia, the neural stem cells of the neocortex, are located in two niches: the ventricular zone and outer subventricular zone. Although outer subventricular zone radial glia may generate the majority of human cortical neurons, their molecular features remain elusive. By analyzing gene expression across single cells, we find that outer radial glia preferentially express genes related to extracellular matrix formation, migration, and stemness, including TNC, PTPRZ1, FAM107A, HOPX, and LIFR. Using dynamic imaging, immunostaining, and clonal analysis, we relate these molecular features to distinctive behaviors of outer radial glia, demonstrate the necessity of STAT3 signaling for their cell cycle progression, and establish their extensive proliferative potential. These results suggest that outer radial glia directly support the subventricular niche through local production of growth factors, potentiation of growth factor signals by extracellular matrix proteins, and activation of self-renewal pathways, thereby enabling the developmental and evolutionary expansion of the human neocortex.

The recent outbreak of Zika virus (ZIKV) in Brazil has been linked to substantial increases in fetal abnormalities and microcephaly. However, information about the underlying molecular and cellular mechanisms connecting viral infection to these defects remains limited. In this study we have examined the expression of receptors implicated in cell entry of several enveloped viruses including ZIKV across diverse cell types in the developing brain. Using single-cell RNA-seq and immunohistochemistry, we found that the candidate viral entry receptor AXL is highly expressed by human radial glial cells, astrocytes, endothelial cells, and microglia in developing human cortex and by progenitor cells in developing retina. We also show that AXL expression in radial glia is conserved in developing mouse and ferret cortex and in human stem cell-derived cerebral organoids, highlighting multiple experimental systems that could be applied to study mechanisms of ZIKV infectivity and effects on brain development.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including microcephaly. To understand the pathophysiology of ZIKV infection, we used models of the developing brain that faithfully recapitulate the tissue architecture in early to midgestation. We identify the brain cell populations that are most susceptible to ZIKV infection in primary human tissue, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by reducing viral proliferation. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, oligodendrocyte precursor cells, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate. Furthermore, we find that blocking the glia-enriched putative viral entry receptor AXL reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro, and genetic knockdown of AXL in a glial cell line nearly abolished infection. Finally, we evaluate 2,177 compounds, focusing on drugs safe in pregnancy. We show that the macrolide antibiotic azithromycin reduced viral proliferation and virus-induced cytopathic effects in glial cell lines and human astrocytes. Our characterization of infection in the developing human brain clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides the basis for investigating possible therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

The rapid spread of Zika virus (ZIKV) and its association with abnormal brain development constitute a global health emergency. Congenital ZIKV infection produces a range of mild to severe pathologies, including placental damage and microcephaly. However, the placenta’s role in viral transmission and the mechanisms of microcephaly have not been addressed in primary human tissues. Moreover, there is an urgent need for drugs that can prevent developmental defects following infection. Here, we identify the placental and brain cell populations most susceptible to ZIKV infection, provide evidence for a mechanism of viral entry, and show that a commonly used antibiotic protects cultured brain cells by inhibiting viral proliferation. In the early gestation placenta, the virus readily infected trophoblast subpopulations that are in direct contact with maternal blood and uterine cells, suggesting routes of ZIKV transmission to the embryo and fetus. In the brain, ZIKV preferentially infected neural stem cells, astrocytes, and microglia, whereas neurons were less susceptible to infection. These findings suggest mechanisms for microcephaly and other pathologic features of infants with congenital ZIKV infection that are not explained by neural stem cell infection alone, such as calcifications in the cortical plate and brain abnormalities caused by third trimester infection. Blocking a putative viral entry receptor, AXL, which is highly enriched in the infected placenta and brain cell types, reduced ZIKV infection of astrocytes in vitro . In a glial cell line, the macrolide antibiotic, azithromycin, inhibited viral proliferation and viral-induced cytopathic effects at clinically relevant concentrations. Our characterization of infection in primary human tissues clarifies the pathogenesis of congenital ZIKV infection and provides critical context for interpreting results from model systems. Further work on azithromycin and related compounds may yield additional therapeutic strategies to safely alleviate or prevent the most severe consequences of the epidemic.

Abstract The human brain is subdivided into distinct anatomical structures. The neocortex, one of these structures, enables higher-order sensory, associative, and cognitive functions, and in turn encompasses dozens of distinct specialized cortical areas. Early morphogenetic gradients are known to establish an early blueprint for the specification of brain regions and cortical areas. Furthermore, recent studies have uncovered distinct transcriptomic signatures between opposing poles of the developing neocortex 1 . However, how early, broad developmental patterns result in finer and more discrete spatial differences across the adult human brain remains poorly understood 2 . Here, we use single-cell RNA-sequencing to profile ten major brain structures and six neocortical areas during peak neurogenesis and early gliogenesis. Our data reveal that distinct cell subtypes are predominantly brain-structure specific. Within the neocortex, we find that even early in the second trimester, a large number of genes are differentially expressed across distinct cortical areas in all cell types, including radial glia, the neural progenitors of the cortex. However, the abundance of areal transcriptomic signatures increases as radial glia differentiate into intermediate progenitor cells and ultimately give rise to excitatory neurons. Using an automated, multiplexed single-molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) approach, we validated the expression pattern of area-specific neuronal genes and also discover that laminar gene expression patterns are highly dynamic across cortical regions. Together, our data suggest that early cortical areal patterning is defined by strong, mutually exclusive frontal and occipital gene expression signatures, with resulting gradients giving rise to the specification of areas between these two poles throughout successive developmental timepoints.