Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, effect on behavior, and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms establishing this diversity during development. We show that the transcription factor BCL11A is expressed in a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain and in a subpopulation of pluripotent-stem-cell-derived human mDA neurons. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing, we demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the murine dopaminergic system. In the substantia nigra, the Bcl11a-expressing mDA subset is particularly vulnerable to neurodegeneration upon α-synuclein overexpression or oxidative stress. Inactivation of Bcl11a in murine mDA neurons increases this susceptibility further, alters the distribution of mDA neurons, and results in deficits in skilled motor behavior. In summary, BCL11A defines mDA subpopulations with highly distinctive characteristics and is required for establishing and maintaining their normal physiology.

Tumor extracellular matrices (ECM) exhibit aberrant changes in composition and mechanics compared to normal tissues. Proteoglycans (PG) are vital regulators of cellular signaling in the ECM with ability to modulate receptor tyrosine kinase (RTK) activation via their sulfated glycosaminoglycan (sGAG) side chains. However, their role on tumor cell behavior is controversial. Here, we demonstrate that PGs are heavily expressed in lung adenocarcinoma patients in correlation with invasive phenotype and poor prognosis. We developed a bioengineered human lung tumor model which recapitulates the increase of sGAGs in tumors in an organotypic matrix with independent control of stiffness, viscoelasticity, ligand density and porosity. Our model reveals that increased sulfation stimulates extensive proliferation, epithelial-mesenchymal transition and stemness in cancer cells. We identified the FAK-PI3K-mTOR signaling axis as a mediator of sulfation-induced molecular changes in cells upon activation of a distinct set of RTKs within tumor-mimetic hydrogels. We demonstrate that the transcriptomic landscape of tumor cells in response to increased sulfation resembles native PG-rich patient tumors through employing integrative omics and network modeling approaches.

Abstract Midbrain dopaminergic (mDA) neurons are diverse in their projection targets, impact on behavior and susceptibility to neurodegeneration. Little is known about the molecular mechanisms that establish this diversity in mDA neurons during development. We find that the transcription factor Bcl11a defines a subset of mDA neurons in the developing and adult murine brain. By combining intersectional labeling and viral-mediated tracing we show that Bcl11a-expressing mDA neurons form a highly specific subcircuit within the dopaminergic system. We demonstrate that Bcl11a-expressing mDA neurons in the substantia nigra (SN) are particularly vulnerable to neurodegeneration in an α-synuclein overexpression model of Parkinson’s disease. Inactivation of Bcl11a in developing mDA neurons results in anatomical changes, deficits in motor learning and a dramatic increase in the susceptibility to α-synuclein-induced degeneration in SN-mDA neurons. In summary, we identify an mDA subpopulation with highly distinctive characteristics defined by the expression of the transcription factor Bcl11a already during development.