Protecting Against a Barrier Breach In order to coexist peacefully, a “firewall” exists that keeps the commensal bacteria that reside in our intestines and associated lymphoid tissue contained. Several diseases and infections, however, lead to a breach in this barrier, which leads to chronic inflammation and pathology. Sonnenberg et al. (p. 1321 ) found that in mice, innate lymphoid cells (ILCs) are critically important for the anatomical containment of commensal bacteria in an interleukin-22 (IL-22)–dependent manner. ILC depletion or blockade of IL-22 led to loss of bacterial containment and systemic inflammation.

Background & AimsIntestinal epithelial stem cells that express leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5 (Lgr5) and/or B cell specific Moloney murine leukemia virus integration site 1 (Bmi1) continuously replicate and generate differentiated cells throughout life. Previously, Paneth cells were suggested to constitute an epithelium-intrinsic niche that regulates the behavior of these stem cells. However, ablating Paneth cells has no effect on the maintenance of functional stem cells. Here, we show definitively that a small subset of mesenchymal subepithelial cells expressing the winged-helix transcription factor forkhead box l1 (Foxl1) are a critical component of the intestinal stem cell niche.MethodsWe genetically ablated Foxl1+ mesenchymal cells in adult mice using 2 separate models by expressing either the human or simian diphtheria toxin receptor under Foxl1 promoter control.ConclusionsKilling Foxl1+ cells by diphtheria toxin administration led to an abrupt cessation of proliferation of both epithelial stem- and transit-amplifying progenitor cell populations that was associated with a loss of active Wnt signaling to the intestinal epithelium. Therefore, Foxl1-expressing mesenchymal cells constitute the fundamental niche for intestinal stem cells. Intestinal epithelial stem cells that express leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5 (Lgr5) and/or B cell specific Moloney murine leukemia virus integration site 1 (Bmi1) continuously replicate and generate differentiated cells throughout life. Previously, Paneth cells were suggested to constitute an epithelium-intrinsic niche that regulates the behavior of these stem cells. However, ablating Paneth cells has no effect on the maintenance of functional stem cells. Here, we show definitively that a small subset of mesenchymal subepithelial cells expressing the winged-helix transcription factor forkhead box l1 (Foxl1) are a critical component of the intestinal stem cell niche. We genetically ablated Foxl1+ mesenchymal cells in adult mice using 2 separate models by expressing either the human or simian diphtheria toxin receptor under Foxl1 promoter control. Killing Foxl1+ cells by diphtheria toxin administration led to an abrupt cessation of proliferation of both epithelial stem- and transit-amplifying progenitor cell populations that was associated with a loss of active Wnt signaling to the intestinal epithelium. Therefore, Foxl1-expressing mesenchymal cells constitute the fundamental niche for intestinal stem cells.

Abstract Three proton-sensing G protein-coupled receptors (GPCRs), GPR4, GPR65, and GPR68, respond to changes in extracellular pH to regulate diverse physiology and are implicated in a wide range of diseases. A central challenge in determining how protons activate these receptors is identifying the set of residues that bind protons. Here, we determine structures of each receptor to understand the spatial arrangement of putative proton sensing residues in the active state. With a newly developed deep mutational scanning approach, we determined the functional importance of every residue in proton activation for GPR68 by generating ∼9,500 mutants and measuring effects on signaling and surface expression. This unbiased screen revealed that, unlike other proton-sensitive cell surface channels and receptors, no single site is critical for proton recognition in GPR68. Instead, a network of titratable residues extend from the extracellular surface to the transmembrane region and converge on canonical class A GPCR activation motifs to activate proton-sensing GPCRs. More broadly, our approach integrating structure and unbiased functional interrogation defines a new framework for understanding the rich complexity of GPCR signaling. One-sentence summary The protonation networks governing activation of human pH-sensing GPCRs are uncovered by integrative cryo-EM and deep mutational scanning.

Background & Aims: The adult liver is the main detoxification organ and is routinely exposed to environmental insults but retains the ability to restore its mass and function upon tissue damage. However, massive injury can lead to liver failure, and chronic injury causes fibrosis, cirrhosis, and hepatocellular carcinoma. Currently, the transcriptional regulation of organ repair in the adult liver is incompletely understood. Methods: We isolated nuclei from quiescent as well as repopulating hepatocytes in a mouse model of hereditary tyrosinemia, which recapitulates the injury and repopulation seen in toxic liver injury in humans. We then performed the assay for transposase accessible chromatin with high-throughput sequencing (ATAC-seq) specifically in repopulating hepatocytes to identify differentially accessible chromatin regions and nucleosome positioning. Additionally, we employed motif analysis to predict differential transcription factor occupancy and validated the in silico results with chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) for hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) and CCCTC-binding factor (CTCF). Results: Chromatin accessibility in repopulating hepatocytes was increased in the regulatory regions of genes promoting proliferation and decreased in the regulatory regions of genes involved in metabolism. The epigenetic changes at promoters and liver enhancers correspond with regulation of gene expression, with enhancers of many liver function genes displaying a less accessible state during the regenerative process. Moreover, increased CTCF occupancy at promoters and decreased HNF4α binding at enhancers implicate these factors as key drivers of the transcriptomic changes in replicating hepatocytes that enable liver repopulation. Conclusions: Our analysis of hepatocyte-specific epigenomic changes during liver repopulation identified CTCF and HNF4α as key regulators of hepatocyte proliferation and regulation of metabolic programs. Thus, liver repopulation in the setting of toxic injury makes use of both general transcription factors (CTCF) for promoter activation, and reduced binding by a hepatocyte-enriched factor (HNF4α) to temporarily limit enhancer activity.

Background & Aims: Liver regeneration is impaired in mice with hepatocyte-specific deficiencies in microRNA (miRNA) processing; yet the roles of individual miRNAs or their combinatorial effects in this process are largely unknown. In this study, we sought to identify miRNAs that regulate hepatocyte repopulation following toxic liver injury in a high-throughput manner using the Fah-/- mouse. Methods: We constructed plasmid pools encoding over 30,000 tough decoy (TuD) miRNA inhibitors designed to target hepatocyte miRNAs in a pairwise manner. Plasmid libraries were delivered to hepatocytes of Fah-/- mice at the time of liver injury via hydrodynamic tail vein injection and integrated transgene-containing transposons were quantified following repopulation via high-throughput sequencing. Changes in polysome-bound transcripts following miRNA inhibition were determined using translating ribosome affinity purification followed by high-throughput sequencing. Results: Analysis of TuD abundance in hepatocyte genomic DNA and input plasmid pools identified several thousand miRNA inhibitors that were significantly altered following repopulation. We classified a subset of miRNA-binding sites (MBSs) as having strong effect on liver repopulation, thus implicating the targeted hepatocyte miRNAs as regulators of this process. Furthermore, we generated a high-content map of pairwise interactions between 171 MBSs and identified both synergistic and redundant effects. Conclusions: Our study highlights the power of higher-order screens to uncover miRNA functions that would go undetected by individual miRNA perturbations, and provides a new paradigm for the study of epistasis of miRNA activities.

Existing drug therapies for hepatocellular carcinoma (HCC), including sorafenib, extend patient survival by only three months. We sought to identify novel druggable targets for use in combination with sorafenib to increase its efficacy. We implemented an in vivo genetic screening paradigm utilizing a library of 43 genes-of-interest expressed in the context of repopulation of the injured livers of Fumarylacetoacetate Hydrolase-deficient (Fah-/-) mice, which led to highly penetrant HCC. We then treated mice with vehicle or sorafenib to discover genetic determinants of sensitivity and resistance. Liver X Receptor alpha (LXR) emerged as a potential target. To examine LXR agonism in combination with sorafenib treatment, we added varying concentrations of sorafenib and LXR agonist drugs to HCC cell lines. We performed transcriptomic analysis to elucidate the mechanisms of HCC death. Fah-/- mice injected with the screening library developed HCC tumor clones containing Myc cDNA plus various other cDNAs. Treatment with sorafenib resulted in sorafenib-resistant HCCs that were significantly depleted in Nr1h3 cDNA, encoding LXR, suggesting that LXR activation is incompatible with tumor growth in the presence of sorafenib treatment in vivo. The combination of sorafenib and LXR agonism led to enhanced cell death as compared to monotherapy in multiple HCC cell lines, due to reduced expression of cell cycle regulators and increased expression of genes associated with apoptosis. Combination therapy also enhanced cell death in a sorafenib-resistant primary human HCC cell line. Our novel in vivo screen led to the discovery that LXR agonist drugs potentiate the efficacy of sorafenib in treating HCC.

Cellular transcription enables cells to adapt to various stimuli and maintain homeostasis. Transcription factors bind to transcription response elements (TREs) in gene promoters, initiating transcription. Synthetic promoters, derived from natural TREs, can be engineered to control exogenous gene expression using endogenous transcription machinery. This technology has found extensive use in biological research for applications including reporter gene assays, biomarker development, and programming synthetic circuits in living cells. However, a reliable and precise method for selecting minimally-sized synthetic promoters with desired background, amplitude, and stimulation response profiles has been elusive. In this study, we introduce a massively parallel reporter assay library containing 6184 synthetic promoters, each less than 250 bp in length. This comprehensive library allows for rapid identification of promoters with optimal transcriptional output parameters across multiple cell lines and stimuli. We showcase this library’s utility to identify promoters activated in unique cell types, and in response to metabolites, mitogens, cellular toxins, and agonism of both aminergic and non-aminergic GPCRs. We further show these promoters can be used in luciferase reporter assays, eliciting 50-100 fold dynamic ranges in response to stimuli. Our platform is effective, easily implemented, and provides a solution for selecting short-length promoters with precise performance for a multitude of applications.