Abstract Understanding global communications among cells requires accurate representation of cell-cell signaling links and effective systems-level analyses of those links. We construct a database of interactions among ligands, receptors and their cofactors that accurately represent known heteromeric molecular complexes. We then develop CellChat, a tool that is able to quantitatively infer and analyze intercellular communication networks from single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) data. CellChat predicts major signaling inputs and outputs for cells and how those cells and signals coordinate for functions using network analysis and pattern recognition approaches. Through manifold learning and quantitative contrasts, CellChat classifies signaling pathways and delineates conserved and context-specific pathways across different datasets. Applying CellChat to mouse and human skin datasets shows its ability to extract complex signaling patterns. Our versatile and easy-to-use toolkit CellChat and a web-based Explorer ( http://www.cellchat.org/ ) will help discover novel intercellular communications and build cell-cell communication atlases in diverse tissues.

Fur-coated mammals could teach us important lessons about the control of stem cell replication: their skins contain thousands of hair follicles that cycle between growth and rest phases, and somehow all the individual follicle stem cells are programmed to coordinate cell divisions. Bone morphogenetic proteins (BMPs) and their inhibitors have now been identified as central to the control of waves of hair follicle activity. In mice regenerating hair after a close shave, variations in BMP2 and BMP4 production both regulate hair growth in individual follicles and coordinate it with nearby follicles. This pair of signalling molecules also fits the description of chalone, a hypothetical molecule introduced 50 years ago to explain patterned hair growth. This work has implications for carcinogenesis and stem-cell engineering studies, many of which assume that mouse skin stays homogeneous during lengthy experiments. Telogen lag is a delay period where the hair follicle is refractive to signals that stimulate regeneration. Even though this concept has been around for over 50 years, the molecular mechanisms behind this phenomenon are still poorly understood. This paper shows that bone morphogenetic proteins (BMPs) and their inhibitors are crucial molecules in controlling hair follicle waves and cycling. In the age of stem cell engineering it is critical to understand how stem cell activity is regulated during regeneration. Hairs are mini-organs that undergo cyclic regeneration throughout adult life1, and are an important model for organ regeneration. Hair stem cells located in the follicle bulge2 are regulated by the surrounding microenvironment, or niche3. The activation of such stem cells is cyclic, involving periodic β-catenin activity4,5,6,7. In the adult mouse, regeneration occurs in waves in a follicle population, implying coordination among adjacent follicles and the extrafollicular environment. Here we show that unexpected periodic expression of bone morphogenetic protein 2 (Bmp2) and Bmp4 in the dermis regulates this process. This BMP cycle is out of phase with the WNT/β-catenin cycle, thus dividing the conventional telogen into new functional phases: one refractory and the other competent for hair regeneration, characterized by high and low BMP signalling, respectively. Overexpression of noggin, a BMP antagonist, in mouse skin resulted in a markedly shortened refractory phase and faster propagation of the regenerative wave. Transplantation of skin from this mutant onto a wild-type host showed that follicles in donor and host can affect their cycling behaviours mutually, with the outcome depending on the equilibrium of BMP activity in the dermis. Administration of BMP4 protein caused the competent region to become refractory. These results show that BMPs may be the long-sought ‘chalone’ inhibitors of hair growth postulated by classical experiments. Taken together, results presented in this study provide an example of hierarchical regulation of local organ stem cell homeostasis by the inter-organ macroenvironment. The expression of Bmp2 in subcutaneous adipocytes indicates physiological integration between these two thermo-regulatory organs. Our findings have practical importance for studies using mouse skin as a model for carcinogenesis, intra-cutaneous drug delivery and stem cell engineering studies, because they highlight the acute need to differentiate supportive versus inhibitory regions in the host skin.

Hair follicles: Secret to prevent scars? Although some animals easily regenerate limbs and heal broken flesh, mammals are generally not so gifted. Wounding can leave scars, which are characterized by a lack of hair follicles and cutaneous fat. Plikus et al. now show that hair follicles in both mice and humans can convert myofibroblasts, the predominant dermal cell in a wound, into adipocytes (see the Perspective by Chan and Longaker). The hair follicles activated the bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway and adipocyte transcription factors in the myofibroblast. Thus, it may be possible to reduce scar formation after wounding by adding BMP. Science , this issue p. 748 ; see also p. 693

Abstract During wound healing in adult mouse skin, hair follicles and then adipocytes regenerate. Adipocytes regenerate from myofibroblasts, a specialized contractile wound fibroblast. Here we study wound fibroblast diversity using single-cell RNA-sequencing. On analysis, wound fibroblasts group into twelve clusters. Pseudotime and RNA velocity analyses reveal that some clusters likely represent consecutive differentiation states toward a contractile phenotype, while others appear to represent distinct fibroblast lineages. One subset of fibroblasts expresses hematopoietic markers, suggesting their myeloid origin. We validate this finding using single-cell western blot and single-cell RNA-sequencing on genetically labeled myofibroblasts. Using bone marrow transplantation and Cre recombinase-based lineage tracing experiments, we rule out cell fusion events and confirm that hematopoietic lineage cells give rise to a subset of myofibroblasts and rare regenerated adipocytes. In conclusion, our study reveals that wounding induces a high degree of heterogeneity among fibroblasts and recruits highly plastic myeloid cells that contribute to adipocyte regeneration.

Skin infection triggers fat responses Obesity is associated with chronic inflammation, but does fat tissue offer protection during infection? Zhang et al. noticed that the fat layers in the skin of mice thickened after inoculation with the pathogenic bacterium Staphylococcus aureus (see the Perspective by Alcorn and Kolls). Mutant mice incapable of forming new fat cells were more susceptible to infection. The differentiating fat cells secreted a small-molecule peptide called cathelicidin, specifically in response to the infection. By contrast, mature fat cells produce less cathelicidin, and are thus less protective. Science , this issue p. 67 ; see also p. 26

Microporous annealed particle (MAP) scaffolds are flowable, in situ crosslinked, microporous scaffolds composed of microgel building blocks and were previously shown to accelerate wound healing. To promote more extensive tissue ingrowth before scaffold degradation, we aimed to slow MAP degradation by switching the chirality of the crosslinking peptides from L- to D-amino acids. Unexpectedly, despite showing the predicted slower enzymatic degradation in vitro, D-peptide crosslinked MAP hydrogel (D-MAP) hastened material degradation in vivo and imparted significant tissue regeneration to healed cutaneous wounds, including increased tensile strength and hair neogenesis. MAP scaffolds recruit IL-33 type 2 myeloid cells, which is amplified in the presence of D-peptides. Remarkably, D-MAP elicited significant antigen-specific immunity against the D-chiral peptides, and an intact adaptive immune system was required for the hydrogel-induced skin regeneration. These findings demonstrate that the generation of an adaptive immune response from a biomaterial is sufficient to induce cutaneous regenerative healing despite faster scaffold degradation.

REV-ERBs, nuclear hormone receptors that regulate transcription as part of the circadian clock cell machinery, inhibit autophagy and lipogenesis in premalignant and malignant cells and impair tumour growth in vivo. The circadian clock regulates many of the physiological functions of an organism. Additionally, links between the circadian clock machinery and cancer have been demonstrated. Gabriele Sulli et al. have explored this link further by unravelling the functions of REV-ERBs. These nuclear hormone receptors regulate transcription and are an essential component of the circadian clock. Treatment of cancer cells with REV-ERB agonists results in cell death, through inhibition of autophagy and de novo lipogenesis. The agonists also impaired tumour growth in vivo. The circadian clock imposes daily rhythms in cell proliferation, metabolism, inflammation and DNA damage response1,2. Perturbations of these processes are hallmarks of cancer3 and chronic circadian rhythm disruption predisposes individuals to tumour development1,4. This raises the hypothesis that pharmacological modulation of the circadian machinery may be an effective therapeutic strategy for combating cancer. REV-ERBs, the nuclear hormone receptors REV-ERBα (also known as NR1D1) and REV-ERBβ (also known as NR1D2), are essential components of the circadian clock5,6. Here we show that two agonists of REV-ERBs—SR9009 and SR9011—are specifically lethal to cancer cells and oncogene-induced senescent cells, including melanocytic naevi, and have no effect on the viability of normal cells or tissues. The anticancer activity of SR9009 and SR9011 affects a number of oncogenic drivers (such as HRAS, BRAF, PIK3CA and others) and persists in the absence of p53 and under hypoxic conditions. The regulation of autophagy and de novo lipogenesis by SR9009 and SR9011 has a critical role in evoking an apoptotic response in malignant cells. Notably, the selective anticancer properties of these REV-ERB agonists impair glioblastoma growth in vivo and improve survival without causing overt toxicity in mice. These results indicate that pharmacological modulation of circadian regulators is an effective antitumour strategy, identifying a class of anticancer agents with a wide therapeutic window. We propose that REV-ERB agonists are inhibitors of autophagy and de novo lipogenesis, with selective activity towards malignant and benign neoplasms.

Humans lack robust regeneration of hair follicles after skin wounding. George Cotsarelis and colleagues now show that γδ T cells are not present at high levels in human skin, that in mice they are a key initial source of the protein fibroblast growth factor 9 and that this factor modulates hair follicle regeneration during skin wound healing. These results suggest a possible topical clinical treatment to regrow hair after wounding and perhaps for other conditions of hair loss. Understanding molecular mechanisms for regeneration of hair follicles provides new opportunities for developing treatments for hair loss and other skin disorders. Here we show that fibroblast growth factor 9 (Fgf9), initially secreted by γδ T cells, modulates hair follicle regeneration after wounding the skin of adult mice. Reducing Fgf9 expression decreases this wound-induced hair neogenesis (WIHN). Conversely, overexpression of Fgf9 results in a two- to threefold increase in the number of neogenic hair follicles. We found that Fgf9 from γδ T cells triggers Wnt expression and subsequent Wnt activation in wound fibroblasts. Through a unique feedback mechanism, activated fibroblasts then express Fgf9, thus amplifying Wnt activity throughout the wound dermis during a crucial phase of skin regeneration. Notably, humans lack a robust population of resident dermal γδ T cells, potentially explaining their inability to regenerate hair after wounding. These findings highlight the essential relationship between the immune system and tissue regeneration. The importance of Fgf9 in hair follicle regeneration suggests that it could be used therapeutically in humans.

Hair follicles (HFs) undergo lifelong cyclical transformations, progressing through stages of rapid growth (anagen), regression (catagen), and relative "quiescence" (telogen). Given that HF cycling abnormalities underlie many human hair growth disorders, the accurate classification of individual cycle stages within skin biopsies is clinically important and essential for hair research. For preclinical human hair research purposes, human scalp skin can be xenografted onto immunocompromised mice to study human HF cycling and manipulate long-lasting anagen in vivo. Although available for mice, a comprehensive guide on how to recognize different human hair cycle stages in vivo is lacking. In this article, we present such a guide, which uses objective, well-defined, and reproducible criteria, and integrates simple morphological indicators with advanced, (immuno)-histochemical markers. This guide also characterizes human HF cycling in xenografts and highlights the utility of this model for in vivo hair research. Detailed schematic drawings and representative micrographs provide examples of how best to identify human HF stages, even in suboptimally sectioned tissue, and practical recommendations are given for designing human-on-mouse hair cycle experiments. Thus, this guide seeks to offer a benchmark for human hair cycle stage classification, for both hair research experts and newcomers to the field.

Niche signals maintain stem cells in a prolonged quiescence or transiently activate them for proper regeneration1. Altering balanced niche signalling can lead to regenerative disorders. Melanocytic skin nevi in human often display excessive hair growth, suggesting hair stem cell hyperactivity. Here, using genetic mouse models of nevi2,3, we show that dermal clusters of senescent melanocytes drive epithelial hair stem cells to exit quiescence and change their transcriptome and composition, potently enhancing hair renewal. Nevus melanocytes activate a distinct secretome, enriched for signalling factors. Osteopontin, the leading nevus signalling factor, is both necessary and sufficient to induce hair growth. Injection of osteopontin or its genetic overexpression is sufficient to induce robust hair growth in mice, whereas germline and conditional deletions of either osteopontin or CD44, its cognate receptor on epithelial hair cells, rescue enhanced hair growth induced by dermal nevus melanocytes. Osteopontin is overexpressed in human hairy nevi, and it stimulates new growth of human hair follicles. Although broad accumulation of senescent cells, such as upon ageing or genotoxic stress, is detrimental for the regenerative capacity of tissue4, we show that signalling by senescent cell clusters can potently enhance the activity of adjacent intact stem cells and stimulate tissue renewal. This finding identifies senescent cells and their secretome as an attractive therapeutic target in regenerative disorders.