A mouse model of liver damage has identified a population of Lrg5+ liver stem cells that can generate hepatoctyes and bile ducts in vivo. Hans Clevers and colleagues have identified a quiescent population of adult liver stem cells that can be 'woken up' by damage. In mice subject to liver damage, small cells expressing the Wnt target gene Lgr5 accumulate near the bile ducts. One of these cells was used to grow large numbers of bipotent stem cells in vitro. The stem cells were converted to functional hepatocytes in vitro, and when liver organoids were transplanted into a mouse model of tyrosinemia type I liver disease, islands of apparently normal hepatocytes appeared in the liver. Whether these hepatocytes are fully functional is not yet known, but the results are promising for regenerative approaches in the liver. The Wnt target gene Lgr5 (leucine-rich-repeat-containing G-protein-coupled receptor 5) marks actively dividing stem cells in Wnt-driven, self-renewing tissues such as small intestine and colon1, stomach2 and hair follicles3. A three-dimensional culture system allows long-term clonal expansion of single Lgr5+ stem cells into transplantable organoids (budding cysts) that retain many characteristics of the original epithelial architecture2,4,5. A crucial component of the culture medium is the Wnt agonist RSPO16, the recently discovered ligand of LGR57,8. Here we show that Lgr5-lacZ is not expressed in healthy adult liver, however, small Lgr5-LacZ+ cells appear near bile ducts upon damage, coinciding with robust activation of Wnt signalling. As shown by mouse lineage tracing using a new Lgr5-IRES-creERT2 knock-in allele, damage-induced Lgr5+ cells generate hepatocytes and bile ducts in vivo. Single Lgr5+ cells from damaged mouse liver can be clonally expanded as organoids in Rspo1-based culture medium over several months. Such clonal organoids can be induced to differentiate in vitro and to generate functional hepatocytes upon transplantation into Fah−/− mice. These findings indicate that previous observations concerning Lgr5+ stem cells in actively self-renewing tissues can also be extended to damage-induced stem cells in a tissue with a low rate of spontaneous proliferation.

Fanconi anemia (FA) is a human autosomal recessive cancer susceptibility disorder characterized by cellular sensitivity to mitomycin C and ionizing radiation. Although six FA genes (for subtypes A, C, D2, E, F, and G) have been cloned, their relationship to DNA repair remains unknown. In the current study, we show that a nuclear complex containing the FANCA, FANCC, FANCF, and FANCG proteins is required for the activation of the FANCD2 protein to a monoubiquitinated isoform. In normal (non-FA) cells, FANCD2 is monoubiq-uitinated in response to DNA damage and is targeted to nuclear foci (dots). Activated FANCD2 protein colocalizes with the breast cancer susceptibility protein, BRCA1, in ionizing radiation–induced foci and in synaptonemal complexes of meiotic chromosomes. The FANCD2 protein, therefore, provides the missing link between the FA protein complex and the cellular BRCA1 repair machinery. Disruption of this pathway results in the cellular and clinical phenotype common to all FA subtypes.

Fanconi anemia (FA) is a rare autosomal recessive cancer susceptibility disorder characterized by cellular hypersensitivity to mitomycin C (MMC). Six FA genes have been cloned, but the gene or genes corresponding to FA subtypes B and D1 remain unidentified. Here we show that cell lines derived from FA-B and FA-D1 patients have biallelic mutations in BRCA2 and express truncated BRCA2 proteins. Functional complementation of FA-D1 fibroblasts with wild-type BRCA2 complementary DNA restores MMC resistance. Our results link the six cloned FA genes with BRCA1 and BRCA2 in a common pathway. Germ-line mutation of genes in this pathway may result in cancer risks similar to those observed in families with BRCA1 or BRCA2 mutations.

CRISPR-Cas9-mediated genome editing corrects a hereditary tyrosinemia disease mutation in the liver of adult mice. We demonstrate CRISPR-Cas9–mediated correction of a Fah mutation in hepatocytes in a mouse model of the human disease hereditary tyrosinemia. Delivery of components of the CRISPR-Cas9 system by hydrodynamic injection resulted in initial expression of the wild-type Fah protein in ∼1/250 liver cells. Expansion of Fah-positive hepatocytes rescued the body weight loss phenotype. Our study indicates that CRISPR-Cas9–mediated genome editing is possible in adult animals and has potential for correction of human genetic diseases.

Mice that could be highly repopulated with human hepatocytes would have many potential uses in drug development and research applications. The best available model of liver humanization, the uroplasminogen-activator transgenic model, has major practical limitations. To provide a broadly useful hepatic xenorepopulation system, we generated severely immunodeficient, fumarylacetoacetate hydrolase (Fah)-deficient mice. After pretreatment with a urokinase-expressing adenovirus, these animals could be highly engrafted (up to 90%) with human hepatocytes from multiple sources, including liver biopsies. Furthermore, human cells could be serially transplanted from primary donors and repopulate the liver for at least four sequential rounds. The expanded cells displayed typical human drug metabolism. This system provides a robust platform to produce high-quality human hepatocytes for tissue culture. It may also be useful for testing the toxicity of drug metabolites and for evaluating pathogens dependent on human liver cells for replication.

Abstract Methylation patterns of circulating cell-free DNA (cfDNA) contain rich information about recent cell death events in the body. Here, we present an approach for unbiased determination of the tissue origins of cfDNA, using a reference methylation atlas of 25 human tissues and cell types. The method is validated using in silico simulations as well as in vitro mixes of DNA from different tissue sources at known proportions. We show that plasma cfDNA of healthy donors originates from white blood cells (55%), erythrocyte progenitors (30%), vascular endothelial cells (10%) and hepatocytes (1%). Deconvolution of cfDNA from patients reveals tissue contributions that agree with clinical findings in sepsis, islet transplantation, cancer of the colon, lung, breast and prostate, and cancer of unknown primary. We propose a procedure which can be easily adapted to study the cellular contributors to cfDNA in many settings, opening a broad window into healthy and pathologic human tissue dynamics.