Abstract Intestinal organoids derived from single cells undergo complex crypt-villus patterning and morphogenesis. However, the nature and coordination of the underlying forces remains poorly characterized. Through light-sheet microscopy and mechanical perturbations, we demonstrate that organoid crypt formation coincides with stark lumen volume reduction, which works synergistically with actomyosin-generated crypt apical and villus basal tension to drive morphogenesis. We analyse these mechanical features in a quantitative 3D biophysical model and detect a critical point in actomyosin tensions, above which crypt becomes robust to volume changes. Finally, via single-cell RNA sequencing and pharmacological perturbations, we show that enterocyte-specific expressed sodium/glucose cotransporter modulates lumen volume reduction via promoting cell swelling. Altogether, our study reveals how cell fate-specific changes in osmotic and actomyosin forces coordinate robust organoid morphogenesis. One Sentence Summary Emergence of region-specific cell fates drive actomyosin patterns and luminal osmotic changes in organoid development

Abstract While many tissues fold in vivo in a highly reproducible and robust way, epithelial folds remain difficult to reproduce in vitro , so that the effects and underlying mechanisms of local curvature on the epithelial tissue remains unclear. Here, we photoreticulated polyacrylamide hydrogels though an optical photomask to create corrugated hydrogels with isotropic wavy patterns, allowed us to show that concave and convex curvatures affect cellular and nuclear shape. By culturing MDCK epithelial cells at confluency on corrugated hydrogels, we showed that the substrate curvature leads to thicker epithelial zones in the valleys and thinner ones on the crest, as well as corresponding density, which can be generically explained by a simple 2D vertex model, leading us to hypothesize that curvature sensing could arise from resulting density/thickness changes. Additionally, positive and negative local curvatures lead to significant modulations of the nuclear morphology and positioning, which can also be well-explained by an extension of vertex models taking into account membrane-nucleus interactions, where thickness/density modulation generically translate into the corresponding changes in nuclear aspect ratio and position, as seen in the data. Consequently, we find that the spatial distribution of Yes associated proteins (YAP), the main transcriptional effector of the Hippo signaling pathway, is modulated in folded epithelial tissues according to the resulting thickness modulation, an effect that disappears at high cell density. Finally, we showed that these deformations are also associated with changes of A-type and B-type lamin expression, significant chromatin condensation and to lower cell proliferation rate. These findings show that active cell mechanics and nuclear mechanoadaptation are key players of the mechanistic regulation of epithelial monolayers to substrate curvature, with potential application for a number of in vivo situations.

ABSTRACT An expanded brain enables the complex behaviours of vertebrates that promote their adaptation in diverse ecological niches 1–3 . Initial morphological differences between the brain and spinal cord emerge as the antero-posteriorly patterned neural plate folds to form the neural tube 4–7 during embryonic development. Following neural tube closure, a dramatic expansion of the brain diverges its shape from the spinal cord 8 , setting their distinct morphologies for further development 9,10 . How the brain and the spinal cord expand differentially remains unclear. Here, using the chicken embryo as a model, we show that the hindbrain expands through dorsal tissue thinning under a positive hydrostatic pressure from the neural tube lumen 11,12 while the dorsal spinal cord shape resists the same pressure. Using magnetic droplets and atomic force microscopy, we reveal that the dorsal tissue in the hindbrain is more fluid than in the spinal cord. The dorsal hindbrain harbours more migratory neural crest cells 13 and exhibits reduced apical actin and a disorganised laminin matrix compared to the dorsal spinal cord. Blocking the activity of neural crest-associated matrix metalloproteinases inhibited dorsal tissue thinning, leading to abnormal brain morphology. Transplanting early dorsal hindbrain cells to the spinal cord was sufficient to create a region with expanded brain-like morphology including a thinned-out roof. Our findings open new questions in vertebrate head evolution and neural tube defects, and suggest a general role of mechanical pre-pattern in creating shape differences in epithelial tubes.