Abstract The tuberal hypothalamus houses several major hypothalamic nuclei, dozens of transcriptionally distinct cell types, and clinically relevant cell populations implicated in obesity and related metabolic disorders. Building on recent advances in the field, here we draw upon transcriptional, signalling, and fate mapping analyses of chicken embryos and neuroepithelial explants to analyze tuberal hypothalamic development. We show that a wave of BMP signalling sweeps through early floor plate-like progenitors overlying prospective Rathke’s pouch as they track anteriorly. The timing of BMP signalling correlates with cell fate, with anterior tuberal specification complete by Hamilton-Hamburger (HH) stage 10 but posterior tuberal progenitors requiring BMPs after this point. scRNA-Seq profiling of FGF10 -expressing cells, a proxy for cells with active BMP signalling, through HH8-21 reveals transcriptional differences that may underlie their differing response to BMPs, and the switch from neuroepithelial progenitors to stem-like radial glial cells. This study provides an integrated account of the development of the tuberal hypothalamus.

Summary The hypothalamus is an evolutionarily ancient brain region that regulates many innate behaviors, but its development is still poorly understood. To identify molecular mechanisms controlling hypothalamic specification and patterning, we used single-cell RNA-Seq to profile multiple stages of early hypothalamic development in the chick. We observe that hypothalamic neuroepithelial cells are initially induced from prethalamic-like cells. Two distinct hypothalamic progenitor populations emerge later, which give rise to paraventricular/mammillary and tuberal hypothalamus. At later developmental stages, the regional organization of the chick and mouse hypothalamus closely resembles one another. This study identifies selective markers for major subdivisions of the developing chick hypothalamus and many uncharacterized candidate regulators of hypothalamic patterning and neurogenesis. As proof of concept for the power of the dataset, we demonstrate that follistatin, a novel prethalamic progenitor-like marker, inhibits hypothalamic induction. This study both clarifies the organization of the early developing hypothalamus and identifies novel molecular mechanisms controlling hypothalamic induction, regionalization, and neurogenesis. Highlights Early hypothalamic development was profiled in chick using scRNA-Seq and multiplexed HCR. Hypothalamic cells are induced from prethalamic-like neuroepithelial cells. Distinct paraventricular/mammillary and tuberal progenitor populations emerge later, and hypothalamic organization is evolutionarily conserved. Prethalamic progenitor-derived follistatin inhibits hypothalamic specification. Graphical Abstract

Summary BMP signalling is known to have a conserved function in development of the semicircular canal system of the vertebrate inner ear, but its regulation, target genes and effects on cell behaviour during otic morphogenesis are not fully understood. We have characterised the effects of mutations in the zebrafish gene bmper, which codes for a regulator of BMP signalling with both pro- and anti-BMP roles in different developmental contexts. The inner ears of bmper mutant embryos develop with truncations of the anterior and posterior semicircular canal ducts. To image the developing ear in live embryos, we have exploited a new transgenic line, Tg(smad6b:EGFP) , which exhibits strong GFP expression in the otic epithelium. Morphometric analysis indicates defects in the bmper mutant ear from early stages of semicircular canal formation, correlating with a specific reduction in BMP signalling activity and specific loss of dlx5a expression in dorsal otic epithelium. Subsequent changes to cell shape occur at the truncation site and the dorsolateral septum. The bmper mutations that we describe are adult viable; truncation of the anterior and posterior semicircular canal ducts persists into adulthood. Our results argue against a major role for Bmper in specification of the pre-placodal region, induction of the otic placode, or development of the neural crest, processes in which Bmper function has previously been implicated. Instead, we conclude that a key requirement for Bmper function in the zebrafish is to promote BMP signalling during patterning and morphogenesis of the semicircular canal system.