Rapamycin, an inhibitor of mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1), extends the life spans of yeast, flies, and mice. Calorie restriction, which increases life span and insulin sensitivity, is proposed to function by inhibition of mTORC1, yet paradoxically, chronic administration of rapamycin substantially impairs glucose tolerance and insulin action. We demonstrate that rapamycin disrupted a second mTOR complex, mTORC2, in vivo and that mTORC2 was required for the insulin-mediated suppression of hepatic gluconeogenesis. Further, decreased mTORC1 signaling was sufficient to extend life span independently from changes in glucose homeostasis, as female mice heterozygous for both mTOR and mLST8 exhibited decreased mTORC1 activity and extended life span but had normal glucose tolerance and insulin sensitivity. Thus, mTORC2 disruption is an important mediator of the effects of rapamycin in vivo.

How adult tissue stem and niche cells respond to the nutritional state of an organism is not well understood. Here we find that Paneth cells, a key constituent of the mammalian intestinal stem-cell (ISC) niche, augment stem-cell function in response to calorie restriction. Calorie restriction acts by reducing mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) signalling in Paneth cells, and the ISC-enhancing effects of calorie restriction can be mimicked by rapamycin. Calorie intake regulates mTORC1 in Paneth cells, but not ISCs, and forced activation of mTORC1 in Paneth cells during calorie restriction abolishes the ISC-augmenting effects of the niche. Finally, increased expression of bone stromal antigen 1 (Bst1) in Paneth cells—an ectoenzyme that produces the paracrine factor cyclic ADP ribose—mediates the effects of calorie restriction and rapamycin on ISC function. Our findings establish that mTORC1 non-cell-autonomously regulates stem-cell self-renewal, and highlight a significant role of the mammalian intestinal niche in coupling stem-cell function to organismal physiology. In the mouse intestine, calorie restriction enhances the regenerative capacity of intestinal stem cells by reducing mTORC1 signalling in their Paneth cell niche. Reducing caloric intake while maintaining adequate nutrition extends lifespan in diverse organisms, possibly by preserving stem- and progenitor-cell function. David Sabatini and colleagues show that in the mouse intestine, caloric restriction leads to an increased number of intestinal stem cells (ISC) with enhanced regenerative capacity. The effects are mediated by modulation of mTOR signalling in Paneth cells, important components of the ISC niche. Caloric restriction leads to the expression of the Bst1 gene in Paneth cells and subsequent secretion of cyclic ADP ribose, which acts on ISCs in a paracrine manner. These findings demonstrate a link between the stem-cell function and the nutritional status of an organism, and raise the possibility that mTORC1 inhibitors or Bst1 mimetics may have therapeutic application in improving intestinal regeneration and function.

By dividing asymmetrically, stem cells can generate two daughter cells with distinct fates. However, evidence is limited in mammalian systems for the selective apportioning of subcellular contents between daughters. We followed the fates of old and young organelles during the division of human mammary stemlike cells and found that such cells apportion aged mitochondria asymmetrically between daughter cells. Daughter cells that received fewer old mitochondria maintained stem cell traits. Inhibition of mitochondrial fission disrupted both the age-dependent subcellular localization and segregation of mitochondria and caused loss of stem cell properties in the progeny cells. Hence, mechanisms exist for mammalian stemlike cells to asymmetrically sort aged and young mitochondria, and these are important for maintaining stemness properties.

Transplantation of pancreatic islet cells derived from human pluripotent stem cells is a promising treatment for diabetes. Despite progress in stem cell-derived islet (SC-islet) generation, detailed characterization of their functional properties has not been conducted. Here, we generated functionally mature SC-islets using an optimized protocol and comprehensively benchmarked them against primary adult islets. Biphasic glucose stimulated insulin secretion developed during in vitro maturation, associated with cytoarchitectural reorganization and increased alpha cells. Electrophysiology and exocytosis of SC-islets were comparable to adult islets. Glucose-responsive insulin secretion was achieved despite differences in glycolytic and mitochondrial glucose metabolism. Single-cell transcriptomics of SC-islets in vitro and throughout 6 months of murine engraftment revealed a continuous maturation trajectory culminating in a transcriptional landscape closely resembling that of primary islets. Our thorough evaluation of SC-islet maturation highlights their advanced degree of functionality and supports their use in further efforts to understand and combat diabetes.

ABSTRACT Epithelial tissues undergo fetal-like cellular reprogramming to regenerate after damage 1,2 . Although the mesenchyme and the extracellular matrix (ECM) play critical roles in tissue homeostasis and regeneration 2–5 , their role in repurposing developmental programs in epithelium is unknown. To model epithelial regeneration, we culture intestinal epithelium on decellularized small intestinal scaffold (iECM), and identify Asporin (Aspn), an ECM bound proteoglycan, as a critical mediator of cellular reprogramming. Aspn is produced by the mesenchyme, and we show that its effect on epithelial Tgfβ-signalling via CD44 is critical for fetal-like conversion. Furthermore, we demonstrate that Aspn is transiently increased upon chemotherapy-induced damage and pivotal for a timely induction of the fetal-like state and tissue regeneration. In summary, we establish a platform for modelling epithelial injury responses ex vivo , and show that the mesenchymal Aspn -producing niche controls tissue repair by regulating epithelial fetal-like reprogramming.

Aging is associated with a decline in the number and fitness of adult stem cells

Abstract Microfold cells (M cells) are immunosurveillance epithelial cells located in the Peyer’s patches in the intestine responsible for monitoring and transcytosis of antigens, microorganisms and pathogens. Many transcription factors, e.g., Spi-B and Sox8, necessary to M cell differentiation have been described but the exhaustive set of factors sufficient for differentiation and development of a mature M cell remains elusive. Moreover, the role of polycomb repressive complex 2 (PRC2) as an epigenetic regulator of M cell development has not yet been interrogated. Here, we show that PRC2 regulates a significant set of genes during the M cell differentiation including many transcription factors. Estrogen related receptor gamma (Esrrg) is a novel M cell specific transcription factor acting on a RankL-Rank induced NF-kB pathway, upstream of Sox8 and necessary but not sufficient for a mature M cell marker Gp2 expression. To conclude, with the aid of PRC2 target survey we identified the list of developmental genes specifically implicated in M cell development and Essrg as a necessary factor for Sox8-mediated M cell differentiation.

ABSTRACT Intestine is divided into functionally distinct regions along the anteroposterior (A/P) axis. How the regional identity influences the function of intestinal stem cells (ISCs) and their offspring remain largely unresolved. We introduce an imaging-based method, ‘Linear Analysis of Midgut’ (LAM), which allows quantitative regionally defined cellular phenotyping of the whole Drosophila midgut. LAM transforms image-derived cellular data from three-dimensional midguts into a linearized representation, binning it into segments along the A/P axis. Through automated multi-variate determination of regional borders, LAM allows mapping and comparing cellular features and frequencies with subregional resolution. Through the use of LAM, we quantify the distributions of ISCs, enteroblasts and enteroendocrine cells in a steady state midgut, and reveal unprecedented regional heterogeneity in the ISC response to a Drosophila model of colitis. Taken together, LAM is a powerful tool for organ-wide quantitative analysis of the regional heterogeneity of midgut cells. Graphical abstract

SUMMARY Smooth muscle is an essential component of the intestine, both to maintain its structure and produce peristaltic and segmentation movements. However, very little is known about other putative roles that smooth muscle may have. Here, we show that smooth muscle is the dominant supplier of BMP antagonists, which are niche factors that are essential for intestinal stem cell maintenance. Furthermore, muscle-derived factors can render epithelium reparative and fetal-like, which includes heightened YAP activity. Mechanistically, we find that the matrix metalloproteinase MMP17, which is exclusively expressed by smooth muscle, is required for intestinal epithelial repair after inflammation- or irradiation-induced injury. Furthermore, we provide evidence that MMP17 affects intestinal epithelial reprogramming indirectly by cleaving the matricellular protein PERIOSTIN, which itself is able to activate YAP. Together, we identify an important signaling axis that firmly establishes a role for smooth muscle as a modulator of intestinal epithelial regeneration and the intestinal stem cell niche.

Epithelial attachment to the basement membrane (BM) is essential for mammary gland development, yet the exact roles of specific BM components remain unclear. Here, we demonstrate that expression of distinct laminin α-isoforms by luminal and basal mammary epithelial cells enforces lineage identity that is necessary for normal mammary gland growth and function. Laminin α5 (LMα5) is mainly expressed by the luminal epithelial cells, and it is necessary for pubertal mammary gland growth, pregnancy induced gland remodeling, and for alveolar function. Adhesion to LMα5 containing laminin promotes luminal traits in both luminal and basal epithelial cells, and reduces progenitor activity of basal epithelial cells. Mechanistically, we show that Lama5 loss interferes with differentiation of hormone receptor positive luminal cells, which results in reduced Wnt4 expression and defective crosstalk between luminal and basal epithelial cells during gland remodeling. Our results reveal a novel BM-mediated mechanism, which regulates mammary gland remodeling and function via specification of luminal epithelial cells.