Rationale: Accurate knowledge of the cellular composition of the heart is essential to fully understand the changes that occur during pathogenesis and to devise strategies for tissue engineering and regeneration. Objective: To examine the relative frequency of cardiac endothelial cells, hematopoietic-derived cells, and fibroblasts in the mouse and human heart. Methods and Results: Using a combination of genetic tools and cellular markers, we examined the occurrence of the most prominent cell types in the adult mouse heart. Immunohistochemistry revealed that endothelial cells constitute >60%, hematopoietic-derived cells 5% to 10%, and fibroblasts <20% of the nonmyocytes in the heart. A refined cell isolation protocol and an improved flow cytometry approach provided an independent means of determining the relative abundance of nonmyocytes. High-dimensional analysis and unsupervised clustering of cell populations confirmed that endothelial cells are the most abundant cell population. Interestingly, fibroblast numbers are smaller than previously estimated, and 2 commonly assigned fibroblast markers, Sca-1 and CD90, under-represent fibroblast numbers. We also describe an alternative fibroblast surface marker that more accurately identifies the resident cardiac fibroblast population. Conclusions: This new perspective on the abundance of different cell types in the heart demonstrates that fibroblasts comprise a relatively minor population. By contrast, endothelial cells constitute the majority of noncardiomyocytes and are likely to play a greater role in physiological function and response to injury than previously appreciated.

The adult mammalian heart possesses little regenerative potential following injury. Fibrosis due to activation of cardiac fibroblasts impedes cardiac regeneration and contributes to loss of contractile function, pathological remodelling and susceptibility to arrhythmias. Cardiac fibroblasts account for a majority of cells in the heart and represent a potential cellular source for restoration of cardiac function following injury through phenotypic reprogramming to a myocardial cell fate. Here we show that four transcription factors, GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5, can cooperatively reprogram adult mouse tail-tip and cardiac fibroblasts into beating cardiac-like myocytes in vitro. Forced expression of these factors in dividing non-cardiomyocytes in mice reprograms these cells into functional cardiac-like myocytes, improves cardiac function and reduces adverse ventricular remodelling following myocardial infarction. Our results suggest a strategy for cardiac repair through reprogramming fibroblasts resident in the heart with cardiogenic transcription factors or other molecules. A combination of four transcription factors, GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5, can reprogram fibroblasts into cardiac-like myocytes in vitro and in vivo; expression of these factors ameliorated cardiac function in mice that had suffered myocardial infarction. The neonatal mammalian heart can regenerate following injury, but adult mammalian hearts have limited capacity for regeneration. Here Eric Olson and colleagues show that a cocktail of four transcription factors — GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5 — can reprogram adult fibroblasts into cardiomyocytes in vitro. They then take the same approach in vivo, using a retrovirus to deliver the transcription factors to the hearts of mice and demonstrate that expression of these four transcription factors reprograms non-myocytes to cardiomocytes and attenuates cardiac dysfunction after myocardial infarction.

White adipose (fat) tissues regulate metabolism, reproduction, and life span. Adipocytes form throughout life, with the most marked expansion of the lineage occurring during the postnatal period. Adipocytes develop in coordination with the vasculature, but the identity and location of white adipocyte progenitor cells in vivo are unknown. We used genetically marked mice to isolate proliferating and renewing adipogenic progenitors. We found that most adipocytes descend from a pool of these proliferating progenitors that are already committed, either prenatally or early in postnatal life. These progenitors reside in the mural cell compartment of the adipose vasculature, but not in the vasculature of other tissues. Thus, the adipose vasculature appears to function as a progenitor niche and may provide signals for adipocyte development.

Cardiac fibroblasts convert to myofibroblasts with injury to mediate healing after acute myocardial infarction (MI) and to mediate long-standing fibrosis with chronic disease. Myofibroblasts remain a poorly defined cell type in terms of their origins and functional effects in vivo. Here we generate Postn (periostin) gene-targeted mice containing a tamoxifen-inducible Cre for cellular lineage-tracing analysis. This Postn allele identifies essentially all myofibroblasts within the heart and multiple other tissues. Lineage tracing with four additional Cre-expressing mouse lines shows that periostin-expressing myofibroblasts in the heart derive from tissue-resident fibroblasts of the Tcf21 lineage, but not endothelial, immune/myeloid or smooth muscle cells. Deletion of periostin(+) myofibroblasts reduces collagen production and scar formation after MI. Periostin-traced myofibroblasts also revert back to a less-activated state upon injury resolution. Our results define the myofibroblast as a periostin-expressing cell type necessary for adaptive healing and fibrosis in the heart, which arises from Tcf21(+) tissue-resident fibroblasts.

Hematopoietic stem cells (HSCs) originate within the aortic-gonado-mesonephros (AGM) region of the midgestation embryo, but the cell type responsible for their emergence is unknown since critical hematopoietic factors are expressed in both the AGM endothelium and its underlying mesenchyme. Here we employ a temporally restricted genetic tracing strategy to selectively label the endothelium, and separately its underlying mesenchyme, during AGM development. Lineage tracing endothelium, via an inducible VE-cadherin Cre line, reveals that the endothelium is capable of HSC emergence. The endothelial progeny migrate to the fetal liver, and later to the bone marrow, and are capable of expansion, self-renewal, and multilineage hematopoietic differentiation. HSC capacity is exclusively endothelial, as ex vivo analyses demonstrate lack of VE-cadherin Cre induction in circulating and fetal liver hematopoietic populations. Moreover, AGM mesenchyme, as selectively traced via a myocardin Cre line, is incapable of hematopoiesis. Our genetic tracing strategy therefore reveals an endothelial origin of HSCs.

In response to various stimuli, vascular smooth muscle cells (SMCs) can de-differentiate, proliferate and migrate in a process known as phenotypic modulation. However, the phenotype of modulated SMCs in vivo during atherosclerosis and the influence of this process on coronary artery disease (CAD) risk have not been clearly established. Using single-cell RNA sequencing, we comprehensively characterized the transcriptomic phenotype of modulated SMCs in vivo in atherosclerotic lesions of both mouse and human arteries and found that these cells transform into unique fibroblast-like cells, termed ‘fibromyocytes’, rather than into a classical macrophage phenotype. SMC-specific knockout of TCF21—a causal CAD gene—markedly inhibited SMC phenotypic modulation in mice, leading to the presence of fewer fibromyocytes within lesions as well as within the protective fibrous cap of the lesions. Moreover, TCF21 expression was strongly associated with SMC phenotypic modulation in diseased human coronary arteries, and higher levels of TCF21 expression were associated with decreased CAD risk in human CAD-relevant tissues. These results establish a protective role for both TCF21 and SMC phenotypic modulation in this disease. The human coronary artery disease gene TCF21 promotes the transformation of smooth muscle cells within atherosclerotic plaques into a newly identified population of fibroblast-like cells that contribute to plaque stability.

The basic helix-loop-helix (bHLH) family of transcription factors orchestrates cell-fate specification, commitment and differentiation in multiple cell lineages during development. Here, we describe the role of a bHLH transcription factor, Tcf21 (epicardin/Pod1/capsulin), in specification of the cardiac fibroblast lineage. In the developing heart, the epicardium constitutes the primary source of progenitor cells that form two cell lineages: coronary vascular smooth muscle cells (cVSMCs) and cardiac fibroblasts. Currently, there is a debate regarding whether the specification of these lineages occurs early in the formation of the epicardium or later after the cells have entered the myocardium. Lineage tracing using a tamoxifen-inducible Cre expressed from the Tcf21 locus demonstrated that the majority of Tcf21-expressing epicardial cells are committed to the cardiac fibroblast lineage prior to initiation of epicardial epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Furthermore, Tcf21 null hearts fail to form cardiac fibroblasts, and lineage tracing of the null cells showed their inability to undergo EMT. This is the first report of a transcription factor essential for the development of cardiac fibroblasts. We demonstrate a unique role for Tcf21 in multipotent epicardial progenitors, prior to the process of EMT that is essential for cardiac fibroblast development.

Summary

 Spermatogenesis requires intricate interactions between the germline and somatic cells. Within a given cross section of a seminiferous tubule, multiple germ and somatic cell types co-occur. This cellular heterogeneity has made it difficult to profile distinct cell types at different stages of development. To address this challenge, we collected single-cell RNA sequencing data from ∼35,000 cells from the adult mouse testis and identified all known germ and somatic cells, as well as two unexpected somatic cell types. Our analysis revealed a continuous developmental trajectory of germ cells from spermatogonia to spermatids and identified candidate transcriptional regulators at several transition points during differentiation. Focused analyses delineated four subtypes of spermatogonia and nine subtypes of Sertoli cells; the latter linked to histologically defined developmental stages over the seminiferous epithelial cycle. Overall, this high-resolution cellular atlas represents a community resource and foundation of knowledge to study germ cell development and in vivo gametogenesis.

The ability to isolate oligodendroglial precursor cells (OPCs) provides a powerful means to characterize their differentiation, properties and potential for myelin repair. Although much knowledge is available for isolation of OPCs from the rat central nervous system, preparation and maintenance of mouse OPCs has been until recently a challenge owing to difficulties in obtaining a sufficient quantity of purified OPCs. Here, we describe protocols to prepare highly enriched rat OPCs and nearly homogenous mouse OPCs. The mouse method generates predominantly OPCs from cortical neural progenitor cells as clonal aggregates called “oligospheres” by taking advantage of molecular genetic tools. Isolated OPCs can be further differentiated into oligodendrocytes. Collectively, we describe simple and efficient methods for the preparation and in vitro maintenance of enriched OPCs from rats and mice. Isolation and culture of a large, homogenous population of rodent OPCs should significantly facilitate studies on OPC lineage progression and their utility in myelin repair after injury.

The differentiation of follicular dendritic cells (FDC) is essential to the remarkable microanatomic plasticity of lymphoid follicles. Here we show that FDC arise from ubiquitous perivascular precursors (preFDC) expressing platelet-derived growth factor receptor β (PDGFRβ). PDGFRβ-Cre-driven reporter gene recombination resulted in FDC labeling, whereas conditional ablation of PDGFRβ+-derived cells abolished FDC, indicating that FDC originate from PDGFRβ+ cells. Lymphotoxin-α-overexpressing prion protein (PrP)+ kidneys developed PrP+ FDC after transplantation into PrP− mice, confirming that preFDC exist outside lymphoid organs. Adipose tissue-derived PDGFRβ+ stromal-vascular cells responded to FDC maturation factors and, when transplanted into lymphotoxin β receptor (LTβR)− kidney capsules, differentiated into Mfge8+CD21/35+FcγRIIβ+PrP+ FDC capable of trapping immune complexes and recruiting B cells. Spleens of lymphocyte-deficient mice contained perivascular PDGFRβ+ FDC precursors whose expansion required both lymphoid tissue inducer (LTi) cells and lymphotoxin. The ubiquity of preFDC and their strategic location at blood vessels may explain the de novo generation of organized lymphoid tissue at sites of lymphocytic inflammation.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJiYWZlOGRjYjIxNzFjNTU3YjY1OTIxNTA4MmVjMjc4MyIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NzQ1NDgyfQ.MCg_zD62DUd_Bj10xyaxmu8TLB4xS9JxwgDeYxIqZxXuF8NxQHcF_WnqK0SJ8BfkGXYYq3mBgCRvRiGmVX12ZsAHyfmbyEPsaiJXHlwbiFnLgwqdF7nbYHakhoi-QCGr7OMTNsGNQT3WbI4y-6WoK8L_8llBH2NJpWKiMSOW1TCW5pt2MA8uBnfVgcFNu8f5dTWvb_P6N7iWkpdkUfDS5VC1ABBI97afehgNBrt9w8QcAiDDR_OOTyLJXfIR8MWtmJklHsaBaWpJPgGBK-ZZsu0u1NRK-mcMNMyX9Uop9szmvQQa3Dd6oWVcW-bnEdVI5FGeN9c1HNHAO3PvTNaUTg(mp4, (13.08 MB) Download video