The small intestine epithelium undergoes rapid and continuous regeneration supported by crypt intestinal stem cells (ISCs). Bmi1 and Lgr5 have been independently identified to mark long-lived multipotent ISCs by lineage tracing in mice; however, the functional distinctions between these two populations remain undefined. Here, we demonstrate that Bmi1 and Lgr5 mark two functionally distinct ISCs in vivo. Lgr5 marks mitotically active ISCs that exhibit exquisite sensitivity to canonical Wnt modulation, contribute robustly to homeostatic regeneration, and are quantitatively ablated by irradiation. In contrast, Bmi1 marks quiescent ISCs that are insensitive to Wnt perturbations, contribute weakly to homeostatic regeneration, and are resistant to high-dose radiation injury. After irradiation, however, the normally quiescent Bmi1 + ISCs dramatically proliferate to clonally repopulate multiple contiguous crypts and villi. Clonogenic culture of isolated single Bmi1 + ISCs yields long-lived self-renewing spheroids of intestinal epithelium that produce Lgr5-expressing cells, thereby establishing a lineage relationship between these two populations in vitro. Taken together, these data provide direct evidence that Bmi1 marks quiescent, injury-inducible reserve ISCs that exhibit striking functional distinctions from Lgr5 + ISCs and support a model whereby distinct ISC populations facilitate homeostatic vs. injury-induced regeneration.

Helicobacter pylori translocates the protein CagA into gastric epithelial cells and has been linked to peptic ulcer disease and gastric carcinoma. We show that injected CagA associates with the epithelial tight-junction scaffolding protein ZO-1 and the transmembrane protein junctional adhesion molecule, causing an ectopic assembly of tight-junction components at sites of bacterial attachment, and altering the composition and function of the apical-junctional complex. Long-term CagA delivery to polarized epithelia caused a disruption of the epithelial barrier function and dysplastic alterations in epithelial cell morphology. CagA appears to target H. pylori to host cell intercellular junctions and to disrupt junction-mediated functions.

Genomic technologies have significantly advanced our understanding of the composition and diversity of host-associated microbial populations. However, their spatial organization and functional interactions relative to the host have been more challenging to study. Here we present a pipeline for the assessment of intestinal microbiota localization within immunofluorescence images of fixed gut cross-sections that includes a flexible software package, BacSpace, for high-throughput quantification of microbial organization. Applying this pipeline to gnotobiotic and human microbiota-colonized mice, we demonstrate that elimination of microbiota-accessible carbohydrates (MACs) from the diet results in thinner mucus in the distal colon, increased proximity of microbes to the epithelium, and heightened expression of the inflammatory marker REG3β. Measurements of microbe-microbe proximity reveal that a MAC-deficient diet alters monophyletic spatial clustering. Furthermore, we quantify the invasion of Helicobacter pylori into the glands of the mouse stomach relative to host mitotic progenitor cells, illustrating the generalizability of this approach.

The gastric pathogen Helicobacter pylori requires a non-canonical cytosolic chemoreceptor transducer-like protein D (TlpD) for efficient colonization of the mammalian stomach. Here we reconstituted a complete chemotransduction signaling complex in vitro with TlpD and the chemotaxis proteins CheW and CheA, enabling quantitative assays for potential chemotaxis ligands. We found that TlpD is selectively sensitive at micromolar concentrations to bleach (hypochlorous acid, HOCl), a potent antimicrobial produced by neutrophil myeloperoxidase during inflammation. Counterintuitively, HOCl acts as a chemoattractant by reversibly oxidizing a conserved cysteine within a 3His/1Cys Zn-binding motif in TlpD that inactivates the chemotransduction signaling complex. We found that H. pylori is resistant to killing by millimolar concentrations of HOCl and responds to bleach in the micromolar range by increasing its smooth swimming behavior, leading to chemoattraction to HOCl sources. We found that related protein domains from Salmonella enterica and Escherichia coli showed a similar reactivity toward bleach. We propose that this family of proteins enables host-associated bacteria to sense sites of tissue inflammation, a strategy that H. pylori uses to aid in colonizing and persisting in inflamed gastric tissue.

ABSTRACT Superspreader hosts carry out most pathogen transmission events and are often disease tolerant since they remain asymptomatic despite high pathogen burdens. Here we describe the superspreader immune state that allows for disease tolerance. In a model of Salmonella infection, superspreader mice develop colitis with robust CD4 + and CD8 + T-cell responses, however, they remain asymptomatic. We found that superspreaders have significantly more regulatory T cells (Tregs) in the distal gut compared to non-superspreader infected hosts. Surprisingly, the depletion of Tregs did not induce pathogen clearance but rather exacerbated weight loss, increased gut inflammation, and compromised epithelial intestinal barrier. This loss of tolerance correlated with dramatic increases in cytotoxic CD4 + and CD8 + T cells. Interestingly, CD4 neutralization in Tregs-depleted superspreaders was sufficient to rescue tolerance. Our results indicate that Tregs play a crucial role in maintaining immunologic tolerance in the guts of superspreader mice by suppressing cytotoxic CD4 + and CD8 + T-cell activities. AUTHOR SUMMARY Superspreader hosts are the main cause of disease transmission and a very important public health concern. Here, we evaluated the immunological tolerance of the Salmonella infected superspreaders in a mouse model. By manipulating Tregs, we demonstrated the immunological mechanism from the host to maintain health status and high pathogen burden. Tregs depletion in the superspreaders led to severe disease, with damage of the intestinal epithelia, and high morbidity without having any effect on shedding and systemic Salmonella burden. Furthermore, we demonstrated that the damage of the intestinal epithelia was related to cytotoxic activity of T cells. When Tregs were depleted, CD8 + T cells produced high levels of granzyme B and perforin. CD8 + T cells neutralization in Tregs depleted mice led to increased cytotoxic CD4 + T cells. Interestingly, neutralization of CD4 + T cells in the Tregs depleted mice led to a reduction in the CD8 + T cells producing granzyme B and it was sufficient to rescue host tolerance in this model. We demonstrate for the first time that cytotoxic CD4 + T cells damage the epithelial intestinal barrier and contribute to loss of tolerance in the context of a superspreader host. These findings open new perspectives to understand mechanisms of tolerance in the intestine of a superspreader host.

Objective: Gastric intestinal metaplasia (GIM) is a precancerous lesion that increases gastric cancer (GC) risk. The Operative Link on GIM (OLGIM) is a combined clinical-histopathologic system to risk-stratify patients with GIM. The identification of molecular biomarkers that are indicators for advanced OLGIM lesions may improve cancer prevention efforts. Methods: This study was based on clinical and genomic data from four cohorts: 1) GAPS, a GIM cohort with detailed OLGIM severity scoring (N=303 samples); 2) the Cancer Genome Atlas (N=198); 3) a collation of in-house and publicly available scRNA-seq data (N=40), and 4) a spatial validation cohort (N=5) consisting of annotated histology slides of patients with either GC or advanced GIM. We used a multi-omics pipeline to identify, validate and sequentially parse a highly-refined signature of 26 genes which characterize high-risk GIM. Results: Using standard RNA-seq, we analyzed two separate, non-overlapping discovery (N=88) and validation (N=215) sets of GIM. In the discovery phase, we identified 105 upregulated genes specific for high-risk GIM (defined as OLGIM III-IV), of which 100 genes were independently confirmed in the validation set. Spatial transcriptomic profiling revealed 36 of these 100 genes to be expressed in metaplastic foci in GIM. Comparison with bulk GC sequencing data revealed 26 of these genes to be expressed in intestinal-type GC. Single-cell profiling resolved the 26-gene signature to both mature intestinal lineages (goblet cells, enterocytes) and immature intestinal lineages (stem-like cells). A subset of these genes was further validated using single-molecule multiplex fluorescence in situ hybridization. We found certain genes (TFF3 and ANPEP) to mark differentiated intestinal lineages, whereas others (OLFM4 and CPS1) localized to immature cells in the isthmic/crypt region of metaplastic glands, consistent with the findings from scRNAseq analysis. Conclusions: using an integrated multi-omics approach, we identified a novel 26-gene expression signature for high-OLGIM precursors at increased risk for GC. We found this signature localizes to aberrant intestinal stem-like cells within the metaplastic microenvironment. These findings hold important translational significance for future prevention and early detection efforts.

Abstract Oxidative stress is a defining feature of most cancers, including those that stem from carcinogenic infections 1 . Reactive oxygen species (ROS) can drive tumor formation 2–4 , yet the molecular oxidation events that contribute to tumorigenesis are largely unknown. Here we show that inactivation of a single, redox-sensitive cysteine in the host protease legumain, which is oxidized during infection with the gastric cancer-causing bacterium Helicobacter pylori , accelerates tumor growth. By using chemical proteomics to map cysteine reactivity in human gastric cells, we determined that H. pylori infection induces oxidation of legumain at Cys219. Legumain oxidation, which is enhanced by the ROS-promoting bacterial oncoprotein CagA, dysregulates intracellular legumain processing and localization and decreases legumain activity in H. pylori- infected cells. We further show that the site-specific loss of Cys219 reactivity increases tumor growth and mortality in a xenograft model. Our findings establish a link between the precise oxidation of a host protein and tumorigenic signaling during bacterial infection and demonstrate the importance of oxidative post-translational modifications in tumor growth.

ABSTRACT The distal lung contains terminal bronchioles and alveoli that facilitate gas exchange and is affected by disorders including interstitial lung disease, cancer, and SARS-CoV-2-associated COVID-19 pneumonia. Investigations of these localized pathologies have been hindered by a lack of 3D in vitro human distal lung culture systems. Further, human distal lung stem cell identification has been impaired by quiescence, anatomic divergence from mouse and lack of lineage tracing and clonogenic culture. Here, we developed robust feeder-free, chemically-defined culture of distal human lung progenitors as organoids derived clonally from single adult human alveolar epithelial type II (AT2) or KRT5 + basal cells. AT2 organoids exhibited AT1 transdifferentiation potential, while basal cell organoids progressively developed lumens lined by differentiated club and ciliated cells. Organoids consisting solely of club cells were not observed. Upon single cell RNA-sequencing (scRNA-seq), alveolar organoids were composed of proliferative AT2 cells; however, basal organoid KRT5 + cells contained a distinct ITGA6 + ITGB4 + mitotic population whose proliferation segregated to a TNFRSF12A hi subfraction. Clonogenic organoid growth was markedly enriched within the TNFRSF12A hi subset of FACS-purified ITGA6 + ITGB4 + basal cells from human lung or derivative organoids. In vivo , TNFRSF12A + cells comprised ~10% of KRT5 + basal cells and resided in clusters within terminal bronchioles. To model COVID-19 distal lung disease, we everted the polarity of basal and alveolar organoids to rapidly relocate differentiated club and ciliated cells from the organoid lumen to the exterior surface, thus displaying the SARS-CoV-2 receptor ACE2 on the outwardly-facing apical aspect. Accordingly, basal and AT2 “apical-out” organoids were infected by SARS-CoV-2, identifying club cells as a novel target population. This long-term, feeder-free organoid culture of human distal lung alveolar and basal stem cells, coupled with single cell analysis, identifies unsuspected basal cell functional heterogeneity and exemplifies progenitor identification within a slowly proliferating human tissue. Further, our studies establish a facile in vitro organoid model for human distal lung infectious diseases including COVID-19-associated pneumonia.