Dystrophin is expressed in muscle stem cells, in which it regulates their cell division and proper repopulation. Dystrophin is expressed in differentiated myofibers, in which it is required for sarcolemmal integrity, and loss-of-function mutations in the gene that encodes it result in Duchenne muscular dystrophy (DMD), a disease characterized by progressive and severe skeletal muscle degeneration. Here we found that dystrophin is also highly expressed in activated muscle stem cells (also known as satellite cells), in which it associates with the serine-threonine kinase Mark2 (also known as Par1b), an important regulator of cell polarity. In the absence of dystrophin, expression of Mark2 protein is downregulated, resulting in the inability to localize the cell polarity regulator Pard3 to the opposite side of the cell. Consequently, the number of asymmetric divisions is strikingly reduced in dystrophin-deficient satellite cells, which also display a loss of polarity, abnormal division patterns (including centrosome amplification), impaired mitotic spindle orientation and prolonged cell divisions. Altogether, these intrinsic defects strongly reduce the generation of myogenic progenitors that are needed for proper muscle regeneration. Therefore, we conclude that dystrophin has an essential role in the regulation of satellite cell polarity and asymmetric division. Our findings indicate that muscle wasting in DMD not only is caused by myofiber fragility, but also is exacerbated by impaired regeneration owing to intrinsic satellite cell dysfunction.

The influence of the extracellular matrix (ECM) within the stem cell niche remains poorly understood. We found that Syndecan-4 (Sdc4) and Frizzled-7 (Fzd7) form a coreceptor complex in satellite cells and that binding of the ECM glycoprotein Fibronectin (FN) to Sdc4 stimulates the ability of Wnt7a to induce the symmetric expansion of satellite stem cells. Newly activated satellite cells dynamically remodel their niche via transient high-level expression of FN. Knockdown of FN in prospectively isolated satellite cells severely impaired their ability to repopulate the satellite cell niche. Conversely, in vivo overexpression of FN with Wnt7a dramatically stimulated the expansion of satellite stem cells in regenerating muscle. Therefore, activating satellite cells remodel their niche through autologous expression of FN that provides feedback to stimulate Wnt7a signaling through the Fzd7/Sdc4 coreceptor complex. Thus, FN and Wnt7a together regulate the homeostatic levels of satellite stem cells and satellite myogenic cells during regenerative myogenesis.

Significance Muscle repair after injury entails an immune response that orchestrates efficacious regeneration. Here we identify Prostaglandin E2 (PGE2) as a crucial inflammatory mediator of muscle stem cells (MuSCs), the building blocks of muscle regeneration. PGE2 is synthesized and secreted into the stem-cell niche in response to injury, leading to robust MuSC proliferation, key to myofiber repair. EP4 is the receptor that mediates PGE2 signaling in MuSCs, and genetically engineered mice that lack EP4 in MuSCs have impaired regeneration. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs), commonly used to treat pain after muscle injury, inhibit PGE2 synthesis, hinder muscle regeneration, and lead to weakened muscles. Importantly, a single treatment of injured muscles with PGE2 dramatically accelerates muscle repair and recovery of strength.

Abstract Our mobility requires muscle regeneration throughout life. Yet our knowledge of the interplay of cell types required to rebuild injured muscle is lacking, because most single cell assays require tissue dissociation. Here we use multiplexed spatial proteomics and neural network analyses to resolve a single cell spatiotemporal atlas of 34 cell types during muscle regeneration and aging. This atlas maps interactions of immune, fibrogenic, vascular, nerve, and myogenic cells at sites of injury in relation to tissue architecture and extracellular matrix. Spatial pseudotime mapping reveals sequential cellular neighborhoods that mediate repair and a nodal role for immune cells. We confirm this role by macrophage depletion, which triggers formation of aberrant neighborhoods that obstruct repair. In aging, immune dysregulation is chronic, cellular neighborhoods are disrupted, and an autoimmune response is evident at sites of denervation. Our findings highlight the spatial cellular ecosystem that orchestrates muscle regeneration, and is altered in aging. Highlights Single cell resolution spatial atlas resolves a cellular ecosystem of 34 cell types in multicellular neighborhoods that mediate efficient skeletal muscle repair Highly multiplexed spatial proteomics, neural network and machine learning uncovers temporal dynamics in the spatial crosstalk between immune, fibrogenic, vascular, nerve, and muscle stem cells and myofibers during regeneration Spatial pseudotime mapping reveals coherent formation of multicellular neighborhoods during efficacious repair and the nodal role of immune cells in coordinating muscle repair In aged muscle, cellular neighborhoods are disrupted by a chronically inflamed state and autoimmunity

SUMMARY The regulation of muscle stem cell (MuSC) asymmetric division plays an essential role in controlling the growth and repair of skeletal muscle. We discover kinase domain receptor (KDR) as a positive modulator of MuSC asymmetric division using an in-niche high-content screen and confirmed its expression in satellite cells by ddPCR and immunofluorescence. Knockdown of KDR significantly reduces the numbers of asymmetric divisions, whereas ligand stimulation of KDR increases the numbers of asymmetric divisions. KDR signaling is impaired in dystrophin-deficient satellite cells and requires a polarized cell environment established by the dystrophin glycoprotein complex (DGC) to direct asymmetric division. Mice lacking KDR in MuSCs exhibit reduced numbers of satellite cells due to precocious differentiation, and deficits in regeneration consistent with impaired asymmetric division and reduced generation of progenitors. Therefore, our experiments identify KDR signaling as playing an essential role in MuSC function in muscle regeneration. HIGHLIGHTS KDR and VEGFA are expressed in satellite cells Ligand activated KDR stimulates asymmetric satellite stem cell division KDR signaling requires the presence of the DGC KDR-deficient satellite cells give rise to reduced numbers of progenitors eTOC blurb Chen et al., performed a chemical screen using a novel screening platform to identify modulators of muscle stem cell asymmetric division. They discovered that KDR signalling requires the presence of the dystrophin associated glycoprotein complex and is an important regulator of muscle stem cell asymmetric division.

Abstract The proper regulation of muscle stem cell (MuSC) fate by cues from the niche is essential for regeneration of skeletal muscle. How pro-regenerative niche factors control the dynamics of MuSC fate decisions remains unknown due to limitations of population-level endpoint assays. To address this knowledge gap, we developed a novel binary dynamic fluorescence time lapse imaging analysis (BDFA) approach that leverages machine learning classification strategies to track single cell fate decisions with high temporal resolution. Using two fluorescent reporters that read out maintenance of stemness and myogenic commitment, we constructed detailed lineage trees for individual MuSCs and their progeny, classifying each division event as symmetric self-renewing, asymmetric, or symmetric committed. Our analysis reveals that treatment with the lipid metabolite, prostaglandin E2 (PGE2), accelerates the rate of MuSC proliferation over time, while biasing division events toward symmetric self-renewal. In contrast, the IL6 family member, Oncostatin M (OSM) decreases the proliferation rate after the first generation, while blocking myogenic commitment. These insights into the dynamics of MuSC regulation by niche cues were uniquely enabled by our BDFA approach. We anticipate that similar binary live cell readouts derived from BDFA will markedly expand our understanding of how niche factors control tissue regeneration in real time.

Ectopic expression of OCT4, SOX2, KLF4 and MYC (OSKM) transforms differentiated cells into induced pluripotent stem cells. To refine our mechanistic understanding of reprogramming, especially during the early stages, we profiled chromatin accessibility and gene expression at single-cell resolution across a finely sampled time course of human fibroblast reprogramming. Using neural networks that map DNA sequence to ATAC-seq profiles at base-resolution, we annotated cell-state-specific predictive transcription factor (TF) motif syntax in regulatory elements, inferred affinity- and concentration-dependent dynamics of Tn5-bias corrected TF footprints, linked peaks to putative target genes, and elucidated rewiring of TF-to-gene cis-regulatory networks. Our models reveal that early in reprogramming, OSK, at supraphysiological concentrations, rapidly open transient regulatory elements by occupying non-canonical low-affinity binding sites. As OSK concentration falls, the accessibility of these transient elements decays as a function of motif affinity. We find that these OSK-dependent transient elements sequester the somatic TF AP-1. This redistribution is strongly associated with the silencing of fibroblast-specific genes within individual nuclei. Together, our integrated single-cell resource and models reveal insights into the cis-regulatory code of reprogramming at unprecedented resolution, connect TF stoichiometry and motif syntax to diversification of cell fate trajectories, and provide new perspectives on the dynamics and role of transient regulatory elements in somatic silencing.

Summary Efficient regeneration requires multiple cell types acting in a coordination. To better understand the intercellular networks involved and how they change when regeneration fails, we profiled the transcriptome of hematopoietic, stromal, myogenic, and endothelial cells over 14 days following acute muscle damage. A time-resolved computational model of interactions was generated, and VEGFA-driven endothelial engagement was identified as a key differentiating feature in models of successful and failed regeneration. In addition, it revealed that the majority of secreted signals, including VEGFA, are simultaneously produced by multiple cell types. To test whether the cellular source of a factor determines its function, we deleted VEGFA from two cell types residing in close proximity, stromal and myogenic progenitors. By comparing responses to different types of damage, we found that myogenic and stromal VEGFA have distinct functions in regeneration. This suggests that spatial compartmentalization of signaling plays a key role in intercellular communication networks. Highlights Ligand-receptor signaling redundancy during skeletal muscle regeneration Inflammatory cells, and muscle and fibro/adipogenic progenitors produce VEGFA VEGFA from muscle progenitors control their proliferation after muscle damage VEGFA from FAP controls angiogenesis only after ischemic damage eTOC blurb Groppa et al . performed a novel time-resolved bioinformatics analysis that revealed extensive ligand-receptor redundancy among the cell types contributing to skeletal muscle regeneration. They focused on one of these pathways, and showed that VEGFA from different cell types has distinct roles in regeneration.

Within the thymus, regulation of the cellular cross-talk directing T cell development is dependent on spatial interactions within specialized niches. To create a holistic, spatially defined map of tissue niches guiding postnatal T cell development we employed the multidimensional imaging platform CO-detection by indEXing (CODEX), as well as CITE-seq and ATAC-seq. We generated age-matched 4-5-month-old postnatal thymus datasets for male and female donors, and identify significant sex differences in both T cell and thymus biology. We demonstrate a crucial role for JAG ligands in directing thymic-like dendritic cell development, reveal important functions of a novel population of ECM- fibroblasts, and characterize the medullary niches surrounding Hassall's corpuscles. Together, these data represent a unique age-matched spatial multiomic resource to investigate how sex-based differences in thymus regulation and T cell development arise, and provide an essential resource to understand the mechanisms underlying immune function and dysfunction in males and females.