Characterization of progenitor cell types and lineages in ferret cerebral cortex and its conservation in mammalian phylogeny

Abstract

Development of the mammalian cerebral cortex, the cell types involved in this process and their lineage relationships have been studied for years. Cortical neurogenesis is viewed as a linear process where apical radial glial cells (aRGCs) give rise to intermediate progenitors (IPCs), and these in turn give rise to excitatory neurons (ENs). Thanks to advances in animal models and the technology for their study, discoveries in recent years show that this a priori simple process actually involves a greater diversity of neural progenitors and more complex relationships than previosuly thought. But how this process is articulated in gyrencephalic mammals (including humans), where the cerebral cortex undergoes very significant expansion and folding, is unclear. In this PhD Thesis, I have characterized the process of cortical neurogenesis in the gyrencephalic ferret using single-cell RNA sequencing (scRNAseq) and cell lineage tracing technology on isolated germinal layers. We have identified different transcriptomic classes of radial glial cells (RGCs) that populate both the ventricular zone (VZ) and the outer subventricular zone (OSVZ), plus an additional type of RGC thought to exist only in the human cortex. We have found that this progenitor cell diversity establishes parallel lineages that converge onto a single type of immature EN. We have also found that the most immature clusters of ENs are prone to express genes related to human malformations of cortical development, especially in the prospective gyrus. Intriguingly, progenitor cell diversity is more similar between gyrencephalic species (i.e. human, ferret) than with lissencephalic species (i.e. mouse). Finally, we have found that the parallel lineages are conserved in human and ferret, while they seem to have been simplified in mouse. My results contribute significantly to our understanding of the evolution of cerebral cortex folding.

El desarrollo de la corteza cerebral en mamíferos, los tipos celulares involucrados en este proceso y sus relaciones de linaje han sido objeto de estudio durante años. La neurogénesis cortical se considera un proceso lineal por el cual células de glia radial apical (aRGCs, en inglés) dan lugar a progenitores intermedios (IPCs), y estos a su vez a neuronas excitatorias (ENs). Gracias a los avances en modelos animales y tecnología para su estudio, los descubrimientos en los últimos años muestran que este proceso a priori simple en realidad implica una mayor diversidad de progenitores neuronales y relaciones más complejas de lo que se pensaba. Pero cómo se articula este proceso en mamíferos girencefálicos (incluidos los seres humanos), en los que la corteza cerebral experimenta una importante expansión y plegamiento, no está claro. En esta tesis doctoral, he caracterizado el proceso de neurogénesis cortical en el hurón, mamífero girencefálico, utilizando la secuenciación de RNA en células únicas (scRNAseq) y tecnología de trazado de linaje celular en capas germinativas aisladas. Hemos identificado diferentes clases transcriptómicas de células de glía radial (RGC) que pueblan al mismo tiempo la zona ventricular (VZ) y la zona subventricular externa (OSVZ), más un tipo de RGC adicional que se pensaba que existía únicamente en la corteza del ser humano. Hemos encontrado que esta diversidad de células progenitoras establece linajes paralelos que convergen en un solo tipo de EN inmadura. También hemos encontrado que los grupos de ENs más inmmaduras son proclives a expresar genes relacionados con malformaciones del desarrollo cortical en humanos, especialmente en la región del futuro giro. Sorprendentemente, la diversidad de células progenitoras es más similar entre especies girencéfalicas (i.e. humano, hurón) que con especies lisencefálicas (i.e. ratón). Finalmente, hemos encontrado que los linajes paralelos están conservados en humano y hurón, mientras parecen haber sido simplificados en ratón. Mis resultados contribuyen significativamente a la comprensión de la evolución del plegamiento de la corteza cerebral.