Abstract Cell transplantation is a promising therapeutic approach to recover loss of neurons and vision in patient retinas. So far, human photoreceptor transplants restored some visual function in degenerating mouse retina. Whether retinal cell transplants also integrate into human retina, and how to optimize this for different pathologies are still unknown. Here, we sought to determine if human retina organoids generated from pluripotent stem cells might assist cell replacement therapy development in a human-to-human setting. Models for intra- and subretinal cell transplantation strategies were explored: Photoreceptor donor cells carrying a transgenic fluorescent reporter were enriched from acutely dissociated human retinal organoids. Donor cells were precisely transplanted by microinjection into the retina of host organoids, but high cell numbers might require multiple injections posing potential damage. Alternatively, donor cells were transplanted in large numbers by placing them in subretinal-like contact to the apical organoid surface. Using postmitotic retinal organoids (age >170-days) as a source for donor cells and as hosts, we show that six weeks after subretinal-like transplantation, large clusters of photoreceptors reproducibly incorporate into the host retina. Transplanted clusters frequently are located within or across the host photoreceptor layer, include cone and rod photoreceptors, and become infiltrated by cell processes of host Müller glia, indicative of structural integration. Histological and ultrastructural data of virally-labeled photoreceptor transplants show characteristic morphological and structural features of polarized photoreceptors: inner segments and ribbon synapses, and donor-host cell contacts develop contributing to the retinal outer limiting membrane. These results demonstrate that human retinal organoids provide a preclinical research system for cell replacement therapies. Graphical abstract

Abstract Regeneration-competent species possess the ability to reverse the progression of severe diseases by restoring the function of the damaged tissue. However, the cellular dynamics underlying this capability remain unexplored. Here, we use single-cell transcriptomics to map de novo β-cell regeneration during induction and recovery from diabetes in zebrafish. We show that the zebrafish has evolved two distinct types of somatostatin-producing δ-cells, which we term δ1- and δ2-cells. Moreover, we characterize a small population of glucose-responsive islet cells, which share the hormones and fate-determinants of both β- and δ1-cells. The transcriptomic analysis of β-cell regeneration reveals that β/δ hybrid cells constitute a prominent source of insulin-expression during diabetes recovery. Using in vivo calcium imaging and cell tracking, we further show that the hybrid cells form de novo and acquire glucose-responsiveness in the course of regeneration. The overexpression of dkk3 , a gene enriched in hybrid cells, increases their formation in the absence of β-cell injury. Finally, interspecies comparison shows that plastic δ1-cells are partially related to PP-cells in the human pancreas. Our work provides an atlas of β-cell regeneration and indicates that the rapid formation of glucose-responsive hybrid cells contributes to the resolution of diabetes in zebrafish

Microtubules play a major role in intracellular trafficking of vesicles in endocrine cells. Detailed knowledge of microtubule organization and their relation to other cell constituents is crucial for understanding cell function. However, their role in insulin transport and secretion is currently under debate. Here, we use F ib -S em to image islet beta cells in their entirety with unprecedented resolution. We reconstruct mitochondria, Golgi apparati, centrioles, insulin secretory granules and micro-tubules of seven beta cells, and generate a comprehensive spatial map of microtubule-organelle interactions. We find that micro-tubules form non-radial networks that are predominantly not connected to either centrioles or endomembranes. Microtubule number and length, but not microtubule polymer density, vary with glucose stimulation. Furthermore, insulin secretory granules are enriched near the plasma membrane where they associate with microtubules. In summary, we provide the first 3D reconstructions of complete microtubule networks in primary mammalian cells together with evidence regarding their importance for insulin secretory granule positioning and thus supportive role in insulin secretion.

Summary Once human photoreceptors die, they do not regenerate, thus photoreceptor transplantation has emerged as a potential treatment approach for blinding diseases. Improvements in transplant organization, donor cell maturation and synaptic connectivity to the host will be critical in advancing this technology to clinical practice. Unlike the unstructured grafts of prior cell suspension transplantations into end-stage degeneration models, we describe extensive incorporation of iPSC retinal organoid-derived human photoreceptors into mice with cone dysfunction. This incorporative phenotype was validated in both cone-only as well as pan-photoreceptor transplantations. Rather than forming a glial barrier, Müller cells extend throughout the graft, even forming a common outer limiting membrane. Donor-host interaction appears to promote polarisation as well as development of morphological features critical for light detection, namely formation of inner and well stacked outer segments oriented towards the RPE. Putative synapse formation and graft function is evident both at a structural and electrophysiological level. Overall, these results show that human photoreceptors interact readily with a partially degenerated retina. Moreover, incorporation into the host retina appears to be beneficial to graft maturation, polarisation and function. Highlights Generation of the first human iPSC cone reporter line Human cones extensively incorporate into the retina of mice with cone degeneration Donor cone age and time in vivo are important factors for transplant incorporation Incorporation into the host retina correlates with graft polarisation Improved photoreceptor maturation after transplantation in vivo vs. in vitro Re-establishment of cone-mediated light-responses in the cone deficient mouse

Summary Endocrine cells employ regulated exocytosis of secretory granules to secrete hormones and neurotransmitters. The competence of secretory granules for exocytosis depends on spatio-temporal variables such as proximity to the plasma membrane and age, with newly-generated granules being preferentially released. Despite recent advances, we still lack a comprehensive view about the molecular composition of insulin granules and how this may change over the lifetime of the organelles. Here we report a strategy for the purification of insulin secretory granules of distinct age from insulinoma INS-1 cells. Tagging the granule-resident protein phogrin with a cleavable CLIP tag, we obtained intact fractions of age-distinct granules for proteomic and lipidomic analyses. We find that the lipid composition changes over time along with the physical properties of the membrane.

Mechanical properties of cancer cells and their microenvironment contribute to breast cancer progression. While mechanosensing has been extensively studied using two-dimensional (2D) substrates, much less is known about it in a physiologically more relevant 3D context. Here we demonstrate that breast cancer tumor spheroids, growing in 3D polyethylene glycol-heparin hydrogels, are sensitive to their environment stiffness. During tumor spheroid growth, compressive stresses of up to 2 kPa built up, as quantitated using elastic polymer beads as stress sensors. Atomic force microscopy (AFM) revealed that tumor spheroid stiffness increased with hydrogel stiffness. Also, constituent cell stiffness increased in a ROCK- and F-actin-dependent manner. Increased hydrogel stiffness correlated with attenuated tumor spheroid growth, a higher proportion of cells in G0/G1 phase and elevated levels of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21. Drug-mediated ROCK inhibition reversed not only cell stiffening upon culture in stiff hydrogels but also increased tumor spheroid growth. Taken together, we reveal here a mechanism by which the growth of a tumor spheroid can be regulated via cytoskeleton rearrangements in response to its mechanoenvironment. Thus, our findings contribute to a better understanding of how cancer cells react to compressive stress when growing under confinement in stiff environments and provide the basis for a more in-depth exploration of the underlying mechanosensory response.

Severe injury to the mammalian spinal cord results in permanent loss of function due to the formation of a glial-fibrotic scar. Both the chemical composition and the mechanical properties of the scar tissue have been implicated to inhibit neuronal regrowth and functional recovery. By contrast, adult zebrafish are able to repair spinal cord tissue and restore motor function after complete spinal cord transection owing to a complex cellular response that includes neurogenesis and axon regrowth. The mechanical mechanisms contributing to successful spinal cord repair in adult zebrafish are, however, currently unknown. Here, we employ AFM-enabled nano-indentation to determine the spatial distributions of apparent elastic moduli of living spinal cord tissue sections obtained from uninjured zebrafish and at distinct time points after complete spinal cord transection. In uninjured specimens, spinal gray matter regions were stiffer than white matter regions. During regeneration after transection, the spinal cord tissues displayed a significant increase of the respective apparent elastic moduli that transiently obliterated the mechanical difference between the two types of matter, before returning to baseline values after completion of repair. Tissue stiffness correlated variably with cell number density, oligodendrocyte interconnectivity, axonal orientation, and vascularization. The presented work constitutes the first quantitative mapping of the spatio-temporal changes of spinal cord tissue stiffness in regenerating adult zebrafish and provides the tissue mechanical basis for future studies into the role of mechanosensing in spinal cord repair.

Mutations in cis-regulatory elements play important roles for phenotypic changes during evolution. Eye degeneration in subterranean mammals is associated with divergence of eye regulatory elements. Here, we investigate the effect of mutations observed in the blind mole rat (BMR) sequence of a conserved non-coding element upstream of Tdrd7, a gene required for lens development and spermatogenesis. We show that this element is a transcriptional repressor in lens cells and that the BMR sequence lost repressor activity. Next, we used CRISPR-Cas9 to precisely replace this regulatory element in mouse by the orthologous BMR sequence. Strikingly, this repressor element has a large effect, causing a two-fold up-regulation of Tdrd7 in developing lens. Interestingly, increased mRNA level does not result in an increase in TDRD7 protein nor an obvious lens phenotype, likely explained by buffering at the posttranscriptional level. Our results are consistent with eye degeneration in subterranean mammals having a polygenic basis.

Primary cilia are sensory organelles present in many cell types. Based on an array of microtubules termed axoneme they form a specialized membrane compartment partaking in various signaling processes. Primary cilia of pancreatic islet beta cells play a role in autocrine and paracrine signaling and are linked to diabetes. Yet, the structural basis for their functions is unclear. We present three-dimensional reconstructions of complete mouse and human beta cell cilia, revealing a disorganized 9+0 axoneme structure. Within the islet cilia are spatially confined within deep ciliary pockets or squeezed into narrow extracellular spaces between adjacent cells. Beta and alpha cell cilia physically interact with neighboring islet cells pushing and strongly bending their plasma membranes. Furthermore, beta cells can contain multiple cilia that can meet with other islet cell cilia in the extracellular space. Additionally, beta cell cilia establish connections with islet-projecting nerves. These findings highlight the pivotal role of beta cell primary cilia in islet cell connectivity, pointing at their potential functional role in integrating islet intrinsic and extrinsic signals. These novel insights contribute to understanding their significance in health and diabetes.

β-cells produce, store and secrete insulin upon elevated blood glucose levels. Insulin secretion is a highly regulated process. The probability for insulin secretory granules to undergo fusion with the plasma membrane or being degraded is correlated with their age. However, the molecular features and stimuli connected to this behavior have not yet been fully understood. Furthermore, our understanding of β-cell function is mostly derived from studies of ex vivo isolated islets and/or rodent models. To overcome this translational gap and study insulin secretory granule turnover in vivo , we have generated a transgenic pig model with the SNAP-tag fused to insulin. We demonstrate the correct targeting and processing of the tagged insulin and normal glycemic control of the pig model. Furthermore, we show specific single- and dual-color granular labeling of in vivo labeled pig pancreas. This model may provide unprecedented insights into the in vivo insulin secretory granule behavior in an animal close to humans.