Significance We have used single-cell RNA sequencing to compare human cerebral organoids and fetal neocortex. We find that, with relatively few exceptions, cells in organoid cortex-like regions use genetic programs very similar to fetal tissue to generate a structured cerebral cortex. Our study is of interest, as it shows which genetic features underlying human cortical development can be accurately studied in organoid culture systems. This is important because although cerebral organoids have great promise for modeling human neurodevelopment, the extent to which organoids recapitulate neural progenitor proliferation and differentiation networks in vivo remained unclear.

A major cause of the cerebral cortex expansion that occurred during evolution is the increase in subventricular zone (SVZ) progenitors. We found that progenitors in the outer SVZ (OSVZ) of developing human neocortex retain features of radial glia, in contrast to rodent SVZ progenitors, which have limited proliferation potential. Although delaminating from apical adherens junctions, OSVZ progenitors maintained a basal process contacting the basal lamina, a canonical epithelial property. OSVZ progenitor divisions resulted in asymmetric inheritance of their basal process. Notably, OSVZ progenitors are also found in the ferret, a gyrencephalic nonprimate. Functional disruption of integrins, expressed on the basal process of ferret OSVZ progenitors, markedly decreased the OSVZ progenitor population size, but not that of other, process-lacking SVZ progenitors, in slice cultures of ferret neocortex. Our findings suggest that maintenance of this epithelial property allows integrin-mediated, repeated asymmetric divisions of OSVZ progenitors, providing a basis for neocortical expansion.

During constitutive endocytosis, internalized membrane traffics through endosomal compartments. At synapses, endocytosis of vesicular membrane is temporally coupled to action potential–induced exocytosis of synaptic vesicles. Endocytosed membrane may immediately be reused for a new round of neurotransmitter release without trafficking through an endosomal compartment. Using GFP-tagged endosomal markers, we monitored an endosomal compartment in Drosophila neuromuscular synapses. We showed that in conditions in which the synaptic vesicles pool is depleted, the endosome is also drastically reduced and only recovers from membrane derived by dynamin-mediated endocytosis. This suggests that membrane exchange takes place between the vesicle pool and the synaptic endosome. We demonstrate that the small GTPase Rab5 is required for endosome integrity in the presynaptic terminal. Impaired Rab5 function affects endo- and exocytosis rates and decreases the evoked neurotransmitter release probability. Conversely, Rab5 overexpression increases the release efficacy. Therefore, the Rab5-dependent trafficking pathway plays an important role for synaptic performance.

Apical plasma membrane constituents of mammalian neural stem/progenitor cells have recently been implicated in maintaining their stem/progenitor cell state. Here, we report that in the developing embryonic mouse brain, the fluid in the lumen of the neural tube contains membrane particles carrying the stem cell marker prominin-1 (CD133), a pentaspan membrane protein found on membrane protrusions of the apical surface of neuroepithelial cells. Two size classes of prominin-1-containing membrane particles were observed in the ventricular fluid: approximately 600-nm particles, referred to as P2 particles, and 50-80-nm vesicles, referred to as P4 particles. The P2 and P4 particles appeared in the ventricular fluid at the very onset and during the early phase of neurogenesis, respectively. Concomitant with their appearance, the nature of the prominin-1-containing apical plasma membrane protrusions of neuroepithelial cells changed, in that microvilli were lost and large pleiomorphic protuberances appeared. P4 particles were found in various body fluids of adult humans, including saliva, seminal fluid and urine, and were released by the epithelial model cell line Caco-2 upon differentiation. Importantly, P4 particles were distinct from exosomes. Our results demonstrate the widespread occurrence of a novel class of extracellular membrane particles containing proteins characteristic of stem cells, and raise the possibility that the release of the corresponding membrane subdomains from the apical surface of neural progenitors and other epithelial cells may have a role in tissue development and maintenance. Moreover, the presence of prominin-1-containing membrane particles in human body fluids may provide the basis for a protein-based diagnosis of certain diseases.

Abstract Actins are structural cytoskeletal proteins playing crucial roles in multiple cellular processes. Mutations in the ACTB and ACTG1 genes, encoding the ubiquitous beta- and gamma- cytoskeletal actin isoforms, respectively, cause a broad spectrum of neurodevelopmental disorders, with microcephaly as the most frequent one. Here we used patient-derived cerebral organoids to gain insight into the pathogenesis underlying this cortical malformation. Cerebral organoids from induced pluripotent stem cells (iPSCs) of patients with the Baraitser-Winter- CerebroFrontoFacial syndrome (BWCFF-S), expressing either an ACTB or an ACTG1 missense mutation, are reduced in size, showing a thinner ventricular zone (VZ). This decrease in VZ progenitors is in turn associated with a striking change in the orientation of their cleavage plane from predominantly vertical (control) to predominantly horizontal (BWCFF-S), which is incompatible with increasing VZ progenitor abundance. Various cytoskeletal and morphological irregularities of BWCFF-S VZ progenitors, notably in the apical region of these cells, seemingly contribute to their predominantly horizontal cleavage plane orientation. Our results provide insight into the cell biological basis of the microcephaly associated with BWCFF-S caused by actin mutations.

Summary Insulin/IGF signalling (IIS) controls many aspects of development and physiology. In Drosophila , a conserved family of insulin-like peptides (Ilp) is produced by brain neurosecretory cells and exerts systemic functions. Here, we describe the local uptake and storage of Ilps in the Corpora Cardiaca (CC), a group of alpha cell homolog that produces the glucagon-like hormone AKH. Dilp uptake relies on the expression of Impl2, an IGF-BP that accumulates in the CCs. During nutrient shortage, this specific reserve of Ilps is released and activates IIS in a paracrine manner in the prothoracic gland, securing accelerated entry into pupal development through the production of the steroid hormone ecdysone. We therefore uncover a sparing mechanism whereby local Ilp storage and release activates the production of steroids and ensures early developmental progression in adverse food conditions. Highlights - Dilps are uptaken by CC cells through the IGF-BP Imp-L2 - the CC-Dilp store is released upon nutrient shortage and activates IIS through CC projections on the PG - upon nutrient shortage, IIS activation in the PG ensures an accelerated transition from larval feeding stage to metamorphosis.

SUMMARY WNT signalling is of paramount importance in development, stem cell maintenance, and disease. WNT ligands typically signal via receptor activation at the plasma membrane to induce β-catenin-dependent gene activation. Here we show that in primary cilia, WNT receptors relay a WNT/GSK3 signal that β-catenin-independently promotes ciliogenesis. Innovations supporting this conclusion are monitoring acute WNT co-receptor activation (phospho-LRP6) and identifying and mutating the LRP6 ciliary targeting sequence. Ciliary WNT signalling inhibits protein phosphatase 1 (PP1) activity, a negative regulator of ciliogenesis, by decommissioning GSK3-mediated phosphorylation of the PP1 regulatory inhibitor subunit PPP1R2. Accordingly, deficiency of WNT/GSK3 signalling by depletion of cyclin Y and cyclin-Y-like protein 1 induces widespread primary cilia defects in mouse embryonic neuronal precursors, kidney proximal tubules, and adult mice preadipocytes. We conclude that primary cilia are WNT ┫ PP1 signalling organelles. Graphical Abstract A Localized WNT ┫ PP1 Signalling Axis Promotes Ciliogenesis The WNT co-receptor LRP6 localizes to the ciliary membrane, where it is phospho-primed via a CCNY/L1-dependent CDK (not shown). WNT signalling inhibits GSK3 (not shown) and leads to inhibition of Protein phosphatase 1, a negative regulator of ciliogenesis. Right, CCNY/L1 deficiency disrupts the WNT ┫ PP1 signalling axis, leading to ciliary defects.

Abstract Towards the goal of building synthetic cells from the bottom-up, the establishment of micrometer-sized compartments that contain and support cell free transcription and translation that couple cellular structure to function is of critical importance. Proteinosomes, formed from crosslinked cationized protein-polymer conjugates offer a promising solution to membrane-bound compartmentalisation with an open, semi-permeable membrane. Critically, to date, there have been no demonstration of cell free transcription and translation within water-in-water proteinosomes. Herein, we present a novel approach to the fabrication of proteinosomes directly from native protein-polymer (BSA-PNIPAAm) conjugates. We show that these native proteinosomes offer an excellent alternative as artificial cell chassis. Significantly, the native proteinosomes are stable under high salt conditions and can consequently support cell free transcription and translation. The native proteinosomes offer enhanced protein expression compared to proteinosomes prepared from traditional methodologies. Furthermore, we demonstrate the integration of proteinosomes into higher order cellular architectures with membrane free compartments and liposomes. The integration of bioinspired architectural elements with the central dogma is an essential building block for realizing minimal synthetic cells and is key for exploiting artificial cells in real-world applications.

Abstract Biofilms are multicellular microbial communities that encase themselves in an extracellular matrix (ECM) of secreted biopolymers and attach to surfaces and interfaces. Bacterial biofilms are detrimental in hospital and industrial settings, but they can be beneficial in agricultural contexts. An essential property of biofilms that grants them with increased survival relative to planktonic cells is phenotypic heterogeneity; the division of the biofilm population into functionally distinct subgroups of cells. Phenotypic heterogeneity in biofilms can be traced to the cellular level, however, the molecular structures and elemental distribution across whole biofilms as well as possible linkages between them remain unexplored. Mapping X-ray diffraction (XRD) across intact biofilms in time and space, we revealed the dominant structural features in Bacillus subtilis biofilms, stemming from matrix components, spores and water. By simultaneously following the X-ray fluorescence (XRF) signal of biofilms and isolated matrix components, we discovered that the ECM preferentially binds calcium ions over other metal ions, specifically, zinc, manganese and iron. These ions, remaining free to flow below macroscopic wrinkles that act as water channels, eventually accumulate and lead to sporulation. The possible link between ECM properties, regulation of metal ion distribution and sporulation across whole intact biofilms unravels the importance of molecular-level heterogeneity in shaping biofilm physiology and development. Significance Statement Biofilms are multicellular soft microbial communities that are able to colonize synthetic surfaces as well as living organisms. To survive sudden environmental changes and efficiently share their common resources, cells in a biofilm divide into subgroups with distinct functions, leading to phenotypic heterogeneity. Here, by studying intact biofilms by synchrotron X-ray diffraction and fluorescence, we revealed correlations between biofilm macroscopic architectural heterogeneity and the spatio-temporal distribution of extracellular matrix, spores, water and metal ions. Our findings demonstrate that biofilm heterogeneity is not only affected by local genetic expression and cellular differentiation, but also by passive effects resulting from the physicochemical properties of the molecules secreted by the cells, leading to differential distribution of nutrients that propagates through macroscopic length scales.