N6-methyladenosine (m6A), installed by the Mettl3/Mettl14 methyltransferase complex, is the most prevalent internal mRNA modification. Whether m6A regulates mammalian brain development is unknown. Here, we show that m6A depletion by Mettl14 knockout in embryonic mouse brains prolongs the cell cycle of radial glia cells and extends cortical neurogenesis into postnatal stages. m6A depletion by Mettl3 knockdown also leads to a prolonged cell cycle and maintenance of radial glia cells. m6A sequencing of embryonic mouse cortex reveals enrichment of mRNAs related to transcription factors, neurogenesis, the cell cycle, and neuronal differentiation, and m6A tagging promotes their decay. Further analysis uncovers previously unappreciated transcriptional prepatterning in cortical neural stem cells. m6A signaling also regulates human cortical neurogenesis in forebrain organoids. Comparison of m6A-mRNA landscapes between mouse and human cortical neurogenesis reveals enrichment of human-specific m6A tagging of transcripts related to brain-disorder risk genes. Our study identifies an epitranscriptomic mechanism in heightened transcriptional coordination during mammalian cortical neurogenesis.

N6-methyladenosine (m6A) modification of mRNA is emerging as a vital mechanism regulating RNA function. Here, we show that fragile X mental retardation protein (FMRP) reads m6A to promote nuclear export of methylated mRNA targets during neural differentiation. Fmr1 knockout (KO) mice show delayed neural progenitor cell cycle progression and extended maintenance of proliferating neural progenitors into postnatal stages, phenocopying methyltransferase Mettl14 conditional KO (cKO) mice that have no m6A modification. RNA-seq and m6A-seq reveal that both Mettl14cKO and Fmr1KO lead to the nuclear retention of m6A-modified FMRP target mRNAs regulating neural differentiation, indicating that both m6A and FMRP are required for the nuclear export of methylated target mRNAs. FMRP preferentially binds m6A-modified RNAs to facilitate their nuclear export through CRM1. The nuclear retention defect can be mitigated by wild-type but not nuclear export-deficient FMRP, establishing a critical role for FMRP in mediating m6A-dependent mRNA nuclear export during neural differentiation.

Abstract Single-cell RNA sequencing enables the construction of trajectories describing the dynamic changes in gene expression underlying biological processes such as cell differentiation and development. The comparison of single-cell trajectories under two distinct conditions can illuminate the differences and similarities between the two and can thus be a powerful tool. Recently developed methods for the comparison of trajectories rely on the concept of dynamic time warping (dtw), which was originally proposed for the comparison of two time series. Consequently, these methods are restricted to simple, linear trajectories. Here, we adopt and theoretically link arboreal matchings to dtw and propose an algorithm to compare complex trajectories that more realistically contain branching points that divert cells into different fates. We implement a suite of exact and heuristic algorithms suitable for the comparison of trajectories of different characteristics in our tool Trajan. Trajan automatically pairs similar biological processes between conditions and aligns them in a globally consistent manner. In an alignment of singlecell trajectories describing human muscle differentiation and myogenic reprogramming, Trajan identifies and aligns the core paths without prior information. From Trajan’s alignment, we are able to reproduce recently reported barriers to reprogramming. In a perturbation experiment, we demonstrate the benefits in terms of robustness and accuracy of our model which compares entire trajectories at once, as opposed to a pairwise application of dtw. Trajan is available at https://github.com/canzarlab/Trajan .

SUMMARY Dormancy is a key feature of stem cell function in adult tissues as well as embryonic cells in the context of diapause. The establishment of dormancy is an active process that involves extensive transcriptional, epigenetic, and metabolic rewiring 1,2 . How these processes are coordinated to successfully transition cells to the resting dormant state remains unclear. Here we show that microRNA activity, which is otherwise dispensable for pre-implantation development, is essential for the adaptation of early mouse embryos to the dormant state of diapause. In particular, the pluripotent epiblast depends on miRNA activity, the absence of which results in loss of pluripotent cells. Through integration of high-sensitivity small RNA expression profiling of individual embryos and protein expression of miRNA targets with public data of protein-protein interactions, we constructed the miRNA-mediated regulatory network of mouse early embryos specific to diapause. We find that individual miRNAs contribute to the combinatorial regulation by the network and the perturbation of the network compromises embryo survival in diapause. Without miRNAs, nuclear and cytoplasmic bodies show aberrant expression, concurrent with splicing defects. We identified the nutrient-sensitive transcription factor TFE3 as an upstream regulator of diapause-specific miRNAs, linking cytoplasmic mTOR activity to nuclear miRNA biogenesis. Our results place miRNAs as a critical regulatory layer for the molecular rewiring of early embryos to establish dormancy.

Abstract A fundamental task in single-cell RNA-seq (scRNA-seq) analysis is the identification of transcriptionally distinct groups of cells. Numerous methods have been proposed for this problem, with a recent focus on methods for the cluster analysis of ultra-large scRNA-seq data sets produced by droplet-based sequencing technologies. Most existing methods rely on a sampling step to bridge the gap between algorithm scalability and volume of the data. Ignoring large parts of the data, however, often yields inaccurate groupings of cells and risks overlooking rare cell types. We propose method Specter that adopts and extends recent algorithmic advances in (fast) spectral clustering. In contrast to methods that cluster a (random) subsample of the data, we adopt the idea of landmarks that are used to create a sparse representation of the full data from which a spectral embedding can then be computed in linear time. We exploit Specter’s speed in a cluster ensemble scheme that achieves a substantial improvement in accuracy over existing methods and that is sensitive to rare cell types. Its linear time complexity allows Specter to scale to millions of cells and leads to fast computation times in practice. Furthermore, on CITE-seq data that simultaneously measures gene and protein marker expression we demonstrate that Specter is able to utilize multimodal omics measurements to resolve subtle transcriptomic differences between subpopulations of cells. Specter is open source and available at https://github.com/canzarlab/Specter .

We present haplotype-resolved reference genomes and comparative analyses of six ape species, namely: chimpanzee, bonobo, gorilla, Bornean orangutan, Sumatran orangutan, and siamang. We achieve chromosome-level contiguity with unparalleled sequence accuracy (<1 error in 500,000 base pairs), completely sequencing 215 gapless chromosomes telomere-to-telomere. We resolve challenging regions, such as the major histocompatibility complex and immunoglobulin loci, providing more in-depth evolutionary insights. Comparative analyses, including human, allow us to investigate the evolution and diversity of regions previously uncharacterized or incompletely studied without bias from mapping to the human reference. This includes newly minted gene families within lineage-specific segmental duplications, centromeric DNA, acrocentric chromosomes, and subterminal heterochromatin. This resource should serve as a definitive baseline for all future evolutionary studies of humans and our closest living ape relatives.