Understanding the topological configurations of chromatin may reveal valuable insights into how the genome and epigenome act in concert to control cell fate during development. Here, we generate high-resolution architecture maps across seven genomic loci in embryonic stem cells and neural progenitor cells. We observe a hierarchy of 3D interactions that undergo marked reorganization at the submegabase scale during differentiation. Distinct combinations of CCCTC-binding factor (CTCF), Mediator, and cohesin show widespread enrichment in chromatin interactions at different length scales. CTCF/cohesin anchor long-range constitutive interactions that might form the topological basis for invariant subdomains. Conversely, Mediator/cohesin bridge short-range enhancer-promoter interactions within and between larger subdomains. Knockdown of Smc1 or Med12 in embryonic stem cells results in disruption of spatial architecture and downregulation of genes found in cohesin-mediated interactions. We conclude that cell-type-specific chromatin organization occurs at the submegabase scale and that architectural proteins shape the genome in hierarchical length scales.

Cell-derived matrices (CDMs) provide an exogenous source of human extracellular matrix (ECM), with applications as cell delivery vehicles, substrate coatings for cell attachment and differentiation, and as biomaterial scaffolds. However, commercial application of CDMs has been hindered due to the prolonged culture time required for sufficient ECM accumulation. One approach to increasing matrix deposition in vitro is macromolecular crowding (MMC), which is a biophysical phenomenon that limits the diffusion of ECM precursor proteins, resulting in increased ECM accumulation at the cell layer. Hyaluronic acid (HA), a natural MMC highly expressed in vivo during fetal development, has been shown to play a role in ECM production, but has not been investigated as a macromolecule for increasing cell-mediated ECM deposition in vitro. In the current study, we hypothesized that HA can act as a MMC, and increase cell-mediated ECM production. Human dermal fibroblasts were cultured for 3, 7, or 14 days with 0%, 0.05%, or 0.5% high molecular weight HA. Ficoll 70/400 was used as a positive control. SDS-PAGE, Sircol, and hydroxyproline assays indicated that 0.05% HA-treated cultures had significantly higher mean collagen deposition at 14 days, whereas Ficoll 70/400-treated cultures had significantly lower collagen production compared to the HA and untreated controls. However, fluorescent immunostaining of ECM proteins and quantification of mean gray values did not indicate statistically significant differences in ECM production in HA or Ficoll 70/400-treated cultures compared to untreated controls. Raman imaging (a marker-free spectral imaging method) indicated that HA increased ECM deposition in human dermal fibroblasts. These results are consistent with decreases in CDM stiffness observed in Ficoll 70/400-treated cultures by atomic force microscopy. Overall, these results indicate that there are macromolecule- and cell type- dependent effects on matrix assembly, turnover, and stiffness in cell-derived matrices. Cell-derived matrices (CDMs) are versatile biomaterials with many regenerative medicine applications, including as cell and drug delivery vehicles and scaffolds for wound healing and tissue regeneration. While CDMs have several advantages, their commercialization has been limited due to the prolonged culture time required to achieve CDM synthesis in vitro. In this study, we explored the use of hyaluronic acid (HA) as a macromolecular crowder in human fibroblast cell cultures to support production of CDM biomaterials. Successful application of macromolecular crowding will allow development of human cell-derived, xeno-free biomaterials that re-capitulate the native human tissue microenvironment.

Abstract During embryogenesis, paracrine signaling between tissues in close proximity contributes to the determination of their respective cell fate(s) and development into functional organs. Organoids are in vitro models that mimic organ formation and cellular heterogeneity, but lack the paracrine input of surrounding tissues. Here, we describe a human multilineage iPSC-derived organoid that recapitulates cooperative cardiac and gut development and displays extensive cellular and structural complexity of both tissues. We demonstrate that the presence of endoderm tissue (gut/intestine) in multilineage organoids contributed to the development of the cardiac tissue, specifically cardiomyocyte expansion, compartmentalization, enrichment of atrial/nodal cells, myocardial compaction and functional fetal-like maturation. Overall, this study demonstrates the ability to generate specific cooperative tissues originating from different germ lineages within a single organoid model, an advance that will further the examination of multi-tissue interactions during development and disease.

Abstract Axial elongation of the neural tube is critical during mammalian embryogenesis to establish the anterior-posterior body axis 1 , but this process is difficult to interrogate directly because it occurs post-implantation 2,3 . Here we report an organoid model of neural tube extension by caudalized human pluripotent stem cell (hPSC) aggregates that recapitulates the morphologic and temporal gene expression patterns of neural tube development. Axially extending organoids consisting largely of longitudinally elongated neuroepithelial compartments also contained TBXT(+)SOX2(+) neuromesodermal progenitors, PAX6(+)nestin(+) neural progenitor populations, and MEOX1(+) paraxial mesoderm populations. Wnt agonism stimulated singular axial extensions in a dose-dependent manner, and elongated organoids displayed regionalized rostral-caudal HOX gene expression, with spatially distinct hindbrain (HOXB1) expression from brachial (HOXC6) and thoracic (HOXB9) regions. CRISPR-interference-mediated silencing of the TBXT, a downstream Wnt target, increased neuroepithelial compartmentalization and resulted in multiple extensions per aggregate. Further, knock-down of BMP inhibitors, Noggin and Chordin, induced elongation phenotypes that mimicked murine knockout models. These results indicate the potent morphogenic capacity of caudalized hPSC organoids to undergo axial elongation in a manner that can be used to dissect the cellular organization and patterning decisions that dictate early nervous system development in humans.

Abstract Technological advancements have enabled the design of increasingly complex engineered tissue constructs, which better mimic native tissue cellularity. Therefore, dissecting the bi-directional interactions between distinct cell types in 3D is necessary to understand how heterotypic interactions at the single-cell level impact tissue-level properties. We systematically interrogated the interactions between cardiomyocytes (CMs) and cardiac non-myocytes in 3D self-assembled tissue constructs in an effort to determine the phenotypic and functional contributions of cardiac fibroblasts (CFs) and endothelial cells (ECs) to cardiac tissue properties. One week after tissue formation, cardiac microtissues containing CFs exhibited improved calcium handling function compared to microtissues comprised of CMs alone or CMs mixed with ECs, and CMs cultured with CFs exhibited distinct transcriptional profiles, with increased expression of cytoskeletal and ECM-associated genes. However, one month after tissue formation, functional and phenotypic differences between heterotypic tissues were mitigated, indicating diminishing impacts of non-myocytes on CM phenotype and function over time. The combination of single-cell RNA-sequencing and calcium imaging enabled the determination of reciprocal transcriptomic changes accompanying tissue-level functional properties in engineered heterotypic cardiac microtissues.

Abstract Cell-derived matrices (CDMs) isolated from cultured cells provide complex and tissue-specific biochemical and physical cues derived from the extracellular matrix (ECM) that are lacking in typical tissue culture environments. However, current methods enhance ECM adhesion and thickness via introduction and promotion of singular matrix proteins, skewing the matrix composition, and confounding comparisons between CDMs. Here we developed a protocol that enhances CDM stability and deposition, respectively, by combining an L-polydopamine surface coating with Ficoll macromolecular crowing prior to hypotonic decellularization. This methodology was applied to the study of age-dependent phenotypic and functional changes observed in cardiac ECM by comparing the morphologic, electrophysiological and metabolic response of cardiomyocytes in response to CDMs produced by fetal and adult cardiac fibroblasts. Furthermore, mass spectrometry proteomics identified the enrichment of collagen VI in fetal CDMs, which we determined via siRNA-mediated silencing during CDM production to be necessary for maximal oxidative respiration in cardiomyocytes.

Summary Hepatitis C virus (HCV) is the leading cause of death from liver disease. How HCV infection causes lasting liver damage and increases cancer risk beyond viral clearance remains unclear. We identify bipotent liver stem cells as novel targets for HCV infection, and their erroneous differentiation as the potential cause of impaired liver regeneration and cancer development. We show 3D organoids generated from liver stem cells from actively HCV-infected individuals carry replicating virus and maintain low-grade infection over months. Organoids can be infected with a primary HCV isolate. Virus-inclusive single-cell RNA-sequencing uncovered extensive transcriptional reprogramming in HCV + cells supporting hepatocytic differentiation, cancer stem cell development and viral replication while stem cell proliferation and interferon signaling are disrupted. Our data adds a pathogenesis factor – infection of liver stem cells – to the biology of HCV infection that explains persistent liver damage and enhanced cancer risk through an altered stem cell state.

Abstract Hepatitis C virus (HCV) remains a global public health challenge with an estimated 71 million people chronically infected, with surges in new cases and no effective vaccine. New methods are needed to study the human immune response to HCV since in vivo animal models are limited and in vitro cancer cell models often show dysregulated immune and proliferative responses. Here we developed a CD8 + T cell and adult stem cell liver organoid system using a microfluidic chip to coculture 3D human liver organoids embedded in extracellular matrix with HLA-matched primary human T cells in suspension. We then employed automated phase contrast and immunofluorescence imaging to monitor T cell invasion and morphological changes in the liver organoids. This microfluidic coculture system supports targeted killing of liver organoids when pulsed with a peptide specific for HCV nonstructural protein 3 (NS3) (KLVALGINAV) in the presence of patient-derived CD8 + T cells specific for KLVALGINAV. This demonstrates the novel potential of the coculture system to molecularly study adaptive immune responses to HCV in an in vitro setting using primary human cells.

Abstract The spinal cord contains a diverse array of sensory and motor circuits that are essential for normal function. Spinal cord injury (SCI) permanently disrupts neural circuits through initial mechanical damage, as well as a cascade of secondary injury events that further expand the spinal cord lesion, resulting in permanent paralysis. Tissue clearing and 3D imaging have recently emerged as promising techniques to improve our understanding of the complex neural circuitry of the spinal cord and the changes that result from damage due to SCI. However, the application of this technology for studying the intact and injured spinal cord remains limited. Here we optimized the passive CLARITY technique (PACT) to obtain gentle and efficient clearing of the murine spinal cord without the need for specialized equipment. We demonstrate that PACT clearing enables 3D imaging of multiple fluorescent labels in the spinal cord to assess molecularly defined neuronal populations, acute inflammation, long-term tissue damage, and cell transplantation. Collectively, these procedures provide a framework for expanding the utility of tissue clearing to enhance the study of spinal cord neural circuits, as well as cellular- and tissue-level changes that occur following SCI.

Advances in cell therapy offer promise for some of the most devastating neural injuries, including spinal cord injury (SCI). Endogenous VSX2-expressing spinal V2a interneurons have been implicated as a key component in plasticity and therapeutically driven recovery post-SCI. While transplantation of generic V2a neurons may have therapeutic value, generation of human spinal V2a neurons with rostro-caudal specificity and assessment of their functional synaptic integration with the injured spinal cord has been elusive. Here, we efficiently differentiated optogenetically engineered cervical V2a spinal interneurons (SpINs) from human induced pluripotent stem cells and tested their capacity to form functional synapses with injured diaphragm motor networks in a clinically-relevant sub-acute model of cervical contusion injury. Neuroanatomical tracing and immunohistochemistry demonstrated transplant integration and synaptic connectivity with injured host tissue. Optogenetic activation of transplanted human V2a SpINs revealed functional synaptic connectivity to injured host circuits, culminating in improved diaphragm activity assessed by electromyography. Furthermore, optogenetic activation of host supraspinal pathways revealed functional innervation of transplanted cells by host neurons, which also led to enhanced diaphragm contraction indicative of a functional neuronal relay. Single cell analyses pre- and post-transplantation suggested the in vivo environment resulted in maturation of cervical SpINs that mediate the formation of neuronal relays, as well as differentiation of glial progenitors involved in repair of the damaged spinal cord. This study rigorously demonstrates feasibility of generating human cervical spinal V2a interneurons that develop functional host-transplant and transplant-host connectivity resulting in improved muscle activity post-SCI.