Abstract Sciatic nerve crush injury triggers sterile inflammation within the distal nerve and axotomized dorsal root ganglia (DRGs). Granulocytes and pro-inflammatory Ly6C high monocytes infiltrate the nerve first, and rapidly give way to Ly6C negative inflammation-resolving macrophages. In axotomized DRGs, few hematogenous leukocytes are detected and resident macrophages acquire a ramified morphology. Single-cell RNA-sequencing of injured sciatic nerve identifies five macrophage subpopulations, repair Schwann cells, and mesenchymal precursor cells. Macrophages at the nerve crush site are molecularly distinct from macrophages associated with Wallerian degeneration. In the injured nerve, macrophages “eat” apoptotic leukocytes, a process called efferocytosis, and thereby promote an anti-inflammatory milieu. Myeloid cells in the injured nerve, but not axotomized DRGs, strongly express receptors for the cytokine GM-CSF. In GM-CSF deficient ( Csf2 -/- ) mice, inflammation resolution is delayed and conditioning-lesion induced regeneration of DRG neuron central axons is abolished. Thus, carefully orchestrated inflammation resolution in the nerve is required for conditioning-lesion induced neurorepair.

SUMMARY Small hairpin RNAs (shRNAs) allow highly efficient gene knockdown. Here we employed different shRNAs to knock down the reticulon RTN4A/NogoA in primary neurons. Depletion of NogoA correlates with altered synaptic protein composition and spontaneous neurotransmission. However, similar phenotypes are not observed upon genetic deletion of Nogo or its receptors. Step-wise introduction of mismatches in the seed region of shNogoA provides further evidence that synaptic phenotypes are NogoA-independent. RNA sequencing revealed global changes in the neuronal transcriptome of cultures transduced with the original shNogoA or closely related variants. Transcriptomic changes are shRNA seed sequence dependent, but not target-specific. Parallel sequencing of small non-coding RNAs revealed dysregulation of microRNAs. Computational analysis shows that the altered miRNA composition correlates with changes in mRNA expression and preferentially affects protein-protein networks that function at synapses. Thus, off-target effects associated with shRNAs are an inherent property, and in particular, altered miRNA composition needs careful consideration.

Abstract Upon trauma, the adult murine PNS displays a remarkable degree of spontaneous anatomical and functional regeneration. To explore extrinsic mechanisms of neural repair, we carried out single cell analysis of naïve mouse sciatic nerve, peripheral blood mononuclear cells, and crushed sciatic nerves at 1-day, 3-days, and 7-days following injury. During the first week, monocytes and macrophages (Mo/Mac) rapidly accumulate in the injured nerve and undergo extensive metabolic reprogramming. Proinflammatory Mo/Mac in the injured nerve show high glycolytic flux compared to Mo/Mac in blood and dominate the early injury response. They subsequently give way to inflammation resolving Mac, programmed toward oxidative phosphorylation. Nerve crush injury causes partial leakiness of the blood-nerve-barrier, proliferation of endoneurial and perineurial stromal cells, and accumulation of select serum proteins. Micro-dissection of the nerve injury site and distal nerve, followed by single-cell RNA-sequencing, identified distinct immune compartments, triggered by mechanical nerve wounding and Wallerian degeneration, respectively. This finding was independently confirmed with Sarm1 -/- mice, where Wallerian degeneration is greatly delayed. Experiments with chimeric mice showed that wildtype immune cells readily enter the injury site in Sarm1-/- mice, but are sparse in the distal nerve, except for Mo. We used CellChat to explore intercellular communications in the naïve and injured PNS and report on hundreds of ligand-receptor interactions. Our longitudinal analysis represents a new resource for nerve regeneration, reveals location specific immune microenvironments, and reports on large intercellular communication networks. To facilitate mining of scRNAseq datasets, we generated the injured sciatic nerve atlas (iSNAT): https://cdb-rshiny.med.umich.edu/Giger_iSNAT/

Micropatterned human pluripotent stem cells (hPSCs) treated with BMP4 (2D gastruloids) are among the most widely used stem cell models for human gastrulation. Due to its simplicity and reproducibility, this system is ideal for high throughput quantitative studies of tissue patterning and has led to many insights into the mechanisms of mammalian gastrulation. However, 2D gastruloids have only been studied up to 48h. Here we extended this system to 96h. We discovered a phase of highly reproducible morphogenesis during which directed migration from the primitive streak-like region gives rise to a mesodermal layer beneath an epiblast-like layer. Multiple types of mesoderm arise with striking spatial organization including lateral mesoderm-like cells on the colony border and paraxial mesoderm-like further inside the colony. Single cell transcriptomics showed strong similarity of these cells to mesoderm in human and non-human primate embryos. However, our data suggest that the annotation of the reference human embryo may need to be revised. This illustrates that extended culture of 2D gastruloids provides a powerful model for human mesoderm differentiation and morphogenesis.

Abstract Tumor associated neutrophils (TANs) are frequently detected in triple-negative breast cancer (TNBC). Recent studies also reveal the importance of neutrophils in promoting tumor progression and metastasis during breast cancer. However, the mechanisms regulating neutrophil trafficking to breast tumors are less clear. We sought to determine whether neutrophil trafficking to breast tumors is determined directly by the malignant potential of cancer cells. We found that tumor conditioned media (TCM) harvested from highly aggressive, metastatic TNBC cells induced a polarized morphology and robust neutrophil migration, while TCM derived from poorly aggressive estrogen receptor positive (ER+) breast cancer cells had no activity. In a three-dimensional (3D) type-I collagen matrix, neutrophils migrated toward TCM from aggressive breast cancer cells with increased velocity and directionality. Moreover, in a neutrophil-tumor spheroid co-culture system, neutrophils migrated with increased directionality towards spheroids generated from TNBC cells compared to ER+ cells. Based on these findings, we next sought to characterize the active factors secreted by TNBC cell lines. We found that TCM-induced neutrophil migration is dependent on tumor-derived chemokines, and screening TCM elution fractions based on their ability to induce polarized neutrophil morphology revealed the molecular weight of the active factors to be around 12 kDa. TCM from TNBC cell lines contained copious amounts of GRO (CXCL1/2/3) chemokines and TGF-β cytokines compared to ER+ cell-derived TCM. TCM activity was inhibited by simultaneously blocking receptors specific to GRO chemokines and TGF-β, while the activity remained intact in the presence of either single receptor inhibitor. Together, our findings establish a direct link between the malignant potential of breast cancer cells and their ability to induce neutrophil migration. Our study also uncovers a novel coordinated function of TGF-β and GRO chemokines responsible for guiding neutrophil trafficking to the breast tumor.

Abstract Neutrophils contribute to the pathogenesis of chronic inflammatory skin diseases. Little is known about the source and identity of the signals mediating their recruitment in inflamed skin. We used the phorbol ester TPA and UVB, alone or in combination, to induce sterile inflammation in mouse skin and assess whether keratinocyte-derived signals impact neutrophil recruitment. A single TPA treatment results in a neutrophil influx in the dermis that peaks at 12h and resolves within 24h. A second TPA treatment or a UVB challenge, when applied at 24h but not 48h later, accelerates, amplifies, and prolongs neutrophil infiltration. This transient amplification response (TAR) is mediated by local signals in inflamed skin, can be recapitulated in ex vivo culture, and involves the K17-dependent sustainment of protein kinase Cα (PKCα) activity and release of neutrophil chemoattractants by stressed keratinocytes. We show that K17 binds RACK1, a scaffold essential for PKCα activity. Finally, analyses of RNAseq data reveal the presence of a transcriptomic signature consistent with TAR and PKCα activation in chronic inflammatory skin diseases. These findings uncover a novel, transient, and keratin-dependent mechanism that amplifies neutrophil recruitment to the skin under stress, with direct implications for inflammatory skin disorders.

Tumor-associated neutrophils are found in many types of cancer and are often reported to contribute to negative outcomes. The presence of transforming growth factor-beta (TGF-β) in the tumor microenvironment reportedly contributes to the skewing of neutrophils to a more pro-tumor phenotype. The effects of TGF-β on neutrophil signaling and migration are, however, unclear. We sought to characterize TGF-β signaling in both primary human neutrophils and the neutrophil-like cell line HL-60 and determine whether it directly induces neutrophil migration. We found that TGF-β1 does not induce neutrophil chemotaxis in transwell or underagarose migration assays. TGF-β1 does activate canonical signaling through SMAD3 and noncanonical signaling through ERK1/2 in neutrophils in a time-and dose-dependent manner. Additionally, TGF-β1 present in the tumor-conditioned media (TCM) of invasive breast cancer cells results in SMAD3 activation. We discovered that TCM induces neutrophils to secrete leukotriene B 4 (LTB 4 ), which is a lipid mediator important for amplifying the range of neutrophil recruitment. However, TGF-β1 alone does not induce secretion of LTB 4 . RNA-sequencing revealed that TGF-β1 and TCM alter gene expression in HL-60 cells, including the mRNA levels of the pro-tumor oncostatin M ( OSM ) and vascular endothelial growth factor A ( VEGFA ). These new insights into the role and impact of TGF-β1 on neutrophil signaling, migration, and gene expression have significant implications in the understanding of the changes in neutrophils that occur in the tumor microenvironment.

How paracrine signals are interpreted to yield multiple cell fate decisions in a dynamic context during human development in vivo and in vitro remains poorly understood. Here we report an automated tracking method to follow signaling histories linked to cell fate in large numbers of human pluripotent stem cells (hPSCs). Using an unbiased statistical approach, we discovered that measured BMP signaling history correlates strongly with fate in individual cells. We found that BMP response in hPSCs varies more strongly in the duration of signaling than the level. However, we discovered that both the level and duration of signaling activity control cell fate choices only by changing the time integral of signaling and that duration and level are therefore interchangeable in this context. In a stem cell model for patterning of the human embryo, we showed that signaling histories predict the fate pattern and that the integral model correctly predicts changes in cell fate domains when signaling is perturbed. Using an RNA-seq screen we then found that mechanistically, BMP signaling is integrated by SOX2.