Quantitative analyses of molecular and cellular features of brain development in the context of recent human evolution

Abstract

[eng] In this thesis, we investigate molecular and cellular substrates of derived traits in our species, and do so under the hypothesis of a Homo sapiens species-specific brain ontogenetic trajectory as overarching framework. We exploit advances in the field of paleogenomics (reviewed in chapter 1) to pinpoint mutations that emerged in the Homo sapiens lineage after its divergence from the Neanderthal/Denisovan lineage, and advance in the spatiotemporal resolution required to formulate experimentally tractable hypotheses on the evolution of modern human cognitive traits. In chapter 2, we identify evolutionary modifications impacting regulatory regions during human corticogenesis and find regulatory variants associated to candidate genes not previously appreciated, such as those involved in chromatin remodelling, and that significantly extend the focus from the less than one hundred proteins carrying fixed missense mutations derived in our species. In chapter 3, we study developmental mechanisms underlying the expansion and organization of the human neocortex. We perform an integrative analysis of different layers of biological complexity to elucidate transcriptional programs and regulation involved in indirect neurogenesis. We implement a matrix factorization method for single cell transcriptomic analyses that, in combination with gene regulatory network analysis, enable us to resolve a cholesterol metabolic program under the regulation of the zinc-finger transcription factor KLF6, specifically in outer radial glia, a key cell type for neocortical expansion. Furthermore, we computationally infer differential transcription factor binding affinities caused by Homo species-specific mutations. We detect instances of positive selection in the Homo sapiens lineage in regulatory regions associated to GLI3, a key regulator of cortical neurogenesis. The appendix A provides a chronological atlas of derived highfrequency variants in our lineage predicting a recent emergence of GLI3 regulatory variants. Chapter 3 contributes to the recent evidence on the relevance of metabolic control in the development and evolution of the primate brain. Finally, in chapter 4, we broaden our investigation and undertake a comprehensive transcriptomic analysis of several brain regions across both prenatal and postnatal stages. We particularly focus on genes within special regions of our genome: those under putative positive selection and within deserts of introgression. We identify a dozen of genes within these special regions and observe distinctive transcriptomic profiles in structures beyond the neocortex. Prominently, we find a Ca2+-dependent activator protein, CADPS2, associated to fixed derived mutations in our lineage, showing a pronounced increase in gene expression in the cerebellum, a critical structure for the derived globular profile of modern human brains.

[spa] En la presente tesis investigamos los sustratos moleculares y celulares de rasgos derivados en nuestra especie, bajo el marco de la hipótesis de una trayectoria ontogénica del cerebro específica de Homo sapiens. Hacemos uso de avances en el campo de la paleogenómica (tratados en el capítulo 1) para identificar mutaciones que emergieron en el linaje de Homo sapiens después de la divergencia con el linaje de los Neandertales y Denisovanos, y avanzamos en la resolución espaciotemporal requerida para la formulación de hipótesis testables sobre la evolución de rasgos cognitivos de los humanos modernos. En el capítulo 2, identificamos modificaciones evolutivas en regiones reguladoras activas durante el desarrollo de la corteza cerebral en humanos, y hallamos variantes reguladoras asociadas a genes candidatos que no han sido previamente caracterizados, como genes implicados en la remodelación de la cromatina, extendiendo el foco más allá de aquellas proteínas, no más de cien, que albergan mutaciones de cambio de aminoácido. En el capítulo 3, estudiamos mecanismos del neurodesarrollo implicados en la expansión y la organización de la corteza cerebral humana. Realizamos análisis integradores de diferentes capas de complejidad biológica para elucidar programas transcriptómicos y su regulación durante neurogénesis indirecta. Implementamos un método de factorización de matrices para el análisis de datos transcriptómicos con resolución de una única célula que, combinado con la reconstrucción bioinformática de redes genéticas reguladoras, nos permiten caracterizar un programa metabólico del colesterol bajo la regulación de un factor de transcripción con módulo de zinc, KLF6, específicamente en células de glia radial basal, un tipo celular clave para la expansión de la neocorteza. Además, inferimos computacionalmente cambios de afinidad en la unión de factores de transcripción causados por mutaciones específicas de especies Homo. Detectamos casos de selección positiva en Homo sapiens, en regiones reguladoras asociadas con el gen GLI3, un regulador clave del desarrollo de la corteza cerebral. El apéndice A contiene un atlas cronológico de variantes en alta frecuencia en poblaciones humanas y derivadas en Homo sapiens, que predice la aparición reciente de dichas mutaciones asociadas a GLI3. El capítulo 3 contribuye a la evidencia creciente de la relevancia del control metabólico en el desarrollo y evolución del cerebro de los primates. Finalmente, en el capítulo 4, ampliamos nuestra investigación para analizar a nivel transcriptómico diversas regiones cerebrales en estadios prenatales y postnatales. Particularmente, nos centramos en genes hallados en regiones especiales en nuestro genoma: regiones bajo selección positiva y en desiertos de introgresión. Identificamos una docena de genes en estas regiones especiales y observamos perfiles transcriptómicos distintivos en estructuras cerebrales más allá de la neocorteza. Prominentemente, encontramos una proteína activadora dependiente de calcio, CADPS2, asociada a mutaciones fijadas en nuestra especie, y que muestra un pronunciado incremento en su expresión génica en el cerebelo, estructura clave para el perfil globular derivado en nuestra especie.