Stem-cell niches in mammalian tissues are often heterogeneous and compartmentalized; however, whether distinct niche locations determine different stem-cell fates remains unclear. To test this hypothesis, here we use the mouse hair follicle niche and combine intravital microscopy with genetic lineage tracing to re-visit the same stem-cell lineages, from their exact place of origin, throughout regeneration in live mice. Using this method, we show directly that the position of a stem cell within the hair follicle niche can predict whether it is likely to remain uncommitted, generate precursors or commit to a differentiated fate. Furthermore, using laser ablation we demonstrate that hair follicle stem cells are dispensable for regeneration, and that epithelial cells, which do not normally participate in hair growth, re-populate the lost stem-cell compartment and sustain hair regeneration. This study provides a general model for niche-induced fate determination in adult tissues.

Abstract High turnover tissues continually lose specialized cells that are replaced by stem cell activity. In the adult mammalian epidermis, it is unclear how molecularly heterogenous stem/progenitor cell populations fit into the complete trajectory of epidermal differentiation. We show that differentiation, from commitment to exit from the stem cell layer, is a multi-day process wherein cells transit through a continuum of transcriptional changes. Differentiation-committed cells remain capable of dividing to produce daughter cells fated to further differentiate, demonstrating that differentiation is uncoupled from cell cycle exit. These cell divisions are not required as part of an obligate transit amplifying program but instead protect density in the stem cell layer. Thus, instead of distinct contributions from multiple progenitors, a continuous gradual differentiation process fuels homeostatic epidermal turnover. One sentence summary Heterogeneity in the epidermal stem cell layer reflects a gradual differentiation program that is uncoupled from the loss of proliferative capacity.

Abstract The mutualistic relationship of gut-resident microbiota and cells of the host immune system promotes homeostasis that ensures maintenance of the microbial community and of a poised, but largely non-aggressive, immune cell compartment 1, 2 . Consequences of disturbing this balance, by environmental or genetic factors, include proximal inflammatory conditions, like Crohn’s disease, and systemic illnesses, both metabolic and autoimmune. One of the means by which this equilibrium is achieved is through induction of both effector and suppressor or regulatory arms of the adaptive immune system. In mice, Helicobacter species induce regulatory (iTreg) and follicular helper (Tfh) T cells in the colon-draining mesenteric lymph nodes under homeostatic conditions, but can instead induce inflammatory Th17 cells when iTreg cells are compromised 3, 4 . How Helicobacter hepaticus and other gut bacteria direct T cells to adopt distinct functions remains poorly understood. Here, we investigated which cells and molecular components are required to convey the microbial instruction for the iTreg differentiation program. We found that antigen presentation by cells expressing ROR γ t, rather than by classical dendritic cells, was both required and sufficient for iTreg induction. These ROR γ t + cells, likely to be type 3 innate lymphoid cells (ILC3) and/or a recently-described population of Aire + cells termed Janus cells 5 , require the MHC class II antigen presentation machinery, the chemokine receptor CCR7, and α v integrin, which activates TGF-β, for iTreg cell differentiation. In the absence of any of these, instead of iTreg cells there was expansion of microbiota-specific pathogenic Th17 cells, which were induced by other antigen presenting cells (APCs) that did not require CCR7. Thus, intestinal commensal microbes and their products target multiple APCs with pre-determined features suited to directing appropriate T cell differentiation programs, rather than a common APC that they endow with appropriate functions. Our results illustrate the ability of microbiota to exploit specialized functions of distinct innate immune system cells, targeting them to achieve the desired composition of equipoised T cells, thus maintaining tolerance.

Abstract TGF-β signaling is fundamental for both Th17 and regulatory T cell (Treg) differentiation. However, these cells differ in requirements for downstream signaling components, such as various SMAD effectors, for their differentiation. To further characterize the mechanisms that distinguish TGF-β signaling requirements for Th17 and Treg cell differentiation, we investigated the role of Arkadia (RNF111), a RING type E3 ubiquitin ligase known to enhance TGF-β signaling during development. We find that Arkadia mediates the differentiation of induced-Treg (iTreg) but not Th17 cells both in vitro and in vivo . Inactivation of Arkadia in CD4 + T cells resulted in impairment of Treg cell differentiation in vitro and loss of RORγt + FOXP3 + iTreg cells in the intestinal lamina propria in vivo , which increased susceptibility to microbiota-induced mucosal inflammation. Furthermore, genetic ablation of two substrates of Arkadia, the transcriptional co-repressors SKI and SnoN, rescued in vitro and in vivo iTreg cell-differentiation of Arkadia-deficient cells. These results reveal distinct TGF-β signaling modules that govern Th17 and iTreg cell differentiation programs and that could be exploited therapeutically to selectively modulate T cell subsets in pathological settings such as autoimmunity or cancer.

Many adult tissues are dynamically sustained by the rapid turnover of stem cells. Yet, how cell fates such as self-renewal and differentiation are orchestrated to achieve long-term homeostasis remains elusive. Studies utilizing clonal tracing experiments in multiple tissues have argued that while stem cell fate is balanced at the population level, individual cell fate - to divide or differentiate - is determined intrinsically by each cell seemingly at random. These studies leave open the question of how cell fates are regulated to achieve fate balance across the tissue. Stem cell fate choices could be made autonomously by each cell throughout the tissue or be the result of cell coordination. Here we developed a novel live tracking strategy that allowed recording of every division and differentiation event within a region of epidermis for a week. These measurements reveal that stem cell fates are not autonomous. Rather, direct neighbors undergo coupled opposite fate decisions. We further found a clear ordering of events, with self-renewal triggered by neighbor differentiation, but not vice-versa. Typically, around 1-2 days after cell delamination, a neighboring cell entered S/G2 phase and divided. Functional blocking of this local feedback showed that differentiation continues to occur in the absence of cell division, resulting in a rapid depletion of the epidermal stem cell pool. We thus demonstrate that the epidermis is maintained by nearest neighbor coordination of cell fates, rather than by asymmetric divisions or fine-tuned cell-autonomous stochastic fate choices. These findings establish differentiation-dependent division as a core feature of homeostatic control, and define the relevant time and length scales over which homeostasis is enforced in epithelial tissues.

Abstract Intravital microscopy in live mice have shown that the elimination of epithelial cells during hair follicle regression involves supra-basal cell differentiation and basal cell apoptosis through synergistic action of TGF-β (transforming growth factor) and mesenchymal-epithelial interactions. In this process the basal epithelial cells are not internally committed to death and the mesenchymal dermal papilla (DP) plays essential role in death induction. Because the DP cells are not necessary for completion of the cycle but only for its initiation it is still an open question what is the mechanism leading to the propagation of apoptosis towards the “immortal” stem cell population. Here, we use a quantitative analysis of the length of hair follicles during their regression cycle. The data is consistent with a propagation mechanism driven by apoptotic cells inducing apoptosis in their neighboring cells. The observation that the apoptosis slows down as the apoptotic front approaches the stem cells at the end of the follicle is consistent with a gradient of a pro-survival signal sent by these stem cells. An experiment that can falsify this mechanism is proposed.

All mammalian organs depend upon resident macrophage populations to coordinate repair processes and facilitate tissue-specific functions 1-3 . Recent work has established that functionally distinct macrophage populations reside in discrete tissue niches and are replenished through some combination of local proliferation and monocyte recruitment 4,5 . Moreover, decline in macrophage abundance and function in tissues has been shown to contribute to many age-associated pathologies, such as atherosclerosis, cancer, and neurodegeneration 6-8 . Despite these advances, the cellular mechanisms that coordinate macrophage organization and replenishment within an aging tissue niche remain largely unknown. Here we show that capillary- associated macrophages (CAMs) are selectively lost over time, which contributes to impaired vascular repair and tissue perfusion in older mice. To investigate resident macrophage behavior in vivo , we have employed intravital two-photon microscopy to non-invasively image in live mice the skin capillary plexus, a spatially well-defined model of niche aging that undergoes rarefication and functional decline with age. We find that CAMs are lost with age at a rate that outpaces that of capillary loss, leading to the progressive accumulation of capillary niches without an associated macrophage in both mice and humans. Phagocytic activity of CAMs was locally required to repair obstructed capillary blood flow, leaving macrophage-less niches selectively vulnerable to both homeostatic and injury-induced loss in blood flow. Our work demonstrates that homeostatic renewal of resident macrophages is not as finely tuned as has been previously suggested 9-11 . Specifically, we found that neighboring macrophages do not proliferate or reorganize sufficiently to maintain an optimal population across the skin capillary niche in the absence of additional cues from acute tissue damage or increased abundance of growth factors, such as colony stimulating factor 1 (CSF1). Such limitations in homeostatic renewal and organization of various niche-resident cell types are potentially early contributors to tissue aging, which may provide novel opportunities for future therapeutic interventions.