Diversification of neural progenitor cells in the radiation of the amniote cerebral cortex

Abstract

A defining feature of mammalian evolution, compared to the much smaller homologous brain region in sauropsids (reptiles and birds), is the massive expansion of the cerebral cortex, forming the neocortex. The evolutionary mechanisms giving rise to the mammalian neocortex from its ancestors remain largely unknown. We hypothesize that changes in the genetic program of cortical development led to the emergence of new types of cortical progenitor cells in the mammalian lineage higher neurogenic capacity, thus expanding the cerebral cortex. In this project we carried out a multifactorial analysis of cortical progenitor cells comparing a gyrencephalic (ferret) and a lissencephalic mammal (mouse) with a bird (chicken) and a reptile (African house snake). This analysis comprises histological, molecular, morphological, proliferative and neurogenic traits, including modes of division and transcriptomic diversity at single cell resolution. Our results show conserved principles of corticogenesis across amniotes, such as limited expansion of the primary germinal layer, coexpression of Pax6 and Tbr2 in mitotic basal progenitors and presence of mitotic basal radial glia in birds. But they also evidence their divergence, in the progressive increase in basal progenitor number and proliferative capacity, the emergence of a basal radial glia pool and a dedicated SVZ in mammals and the distinct apical-contacting bRGC morphology retained only in birds. Altogether, we continue uncovering how neural progenitors evolved in mammals differently from sauropsids, changing the developmental plan that originated the neocortex and caused its massive expansion. Una característica definitoria de la evolución de los mamíferos, frente a la región homóloga mucho más pequeña que presentan los saurópsidos (reptiles y aves), es la gran expansión de la corteza cerebral que da origen al neocórtex. Los mecanismos evolutivos que generaron la neocorteza a partir de sus ancestros siguen siendo en gran medida desconocidos. Planteamos que cambios en el programa genético del desarrollo cortical propiciaron la aparición de nuevos tipos de células progenitoras, con mayor capacidad neurogénica, a lo largo de la línea mamífera, ampliando así la corteza cerebral. En este proyecto realizamos un análisis multifactorial de las células progenitoras corticales comparando un mamífero girencefálico (hurón) y uno lisencefálico (ratón) con un ave (pollo) y un reptil (serpiente doméstica africana). El estudio abarca rasgos histológicos, moleculares, morfológicos, proliferativos y neurogénicos, incluidos los modos de división y la diversidad transcriptómica a resolución de célula única. Nuestros resultados revelan principios conservados de corticogénesis entre los amniotas—como la limitada expansión de la capa germinal primaria, la coexpresión de Pax6 y Tbr2 en progenitores basales mitóticos y la presencia de glía radial basal mitótica en aves. Pero también ponen de manifiesto divergencias clave: el incremento progresivo en número y capacidad proliferativa de los progenitores basales, la aparición de un reservorio de glía radial basal y de una zona subventricular especializada en mamíferos, y la morfología distintiva de las bRGC con contacto apical, conservada únicamente en aves. En conjunto, continuamos revelando cómo los progenitores neurales evolucionaron de forma diferenciada en mamíferos respecto a los saurópsidos, modificando el plan de desarrollo que originó la neocorteza y desencadenó su expansión masiva.