Abstract GI toxicity is a common dose-limiting adverse effect of platin chemotherapy treatment. Up to 50% of cancer survivors continue to experience symptoms of chronic constipation or diarrhea induced by their chemotherapy for many years after their treatment. This drug toxicity is largely attributed to damage to enteric neurons that innervate the GI tract and control GI motility. The mechanisms responsible for platin-induced enteric neurotoxicity and potential preventative strategies have remained unknown. Here, we use human pluripotent stem cell derived enteric neurons to establish a new model system capable of uncovering the mechanism of platin-induced enteric neuropathy. Utilizing this scalable system, we performed a high throughput screen and identified drug candidates and pathways involved in the disease. Our analyses revealed that excitotoxicity through muscarinic cholinergic signaling is a key driver of platin-induced enteric neuropathy. Using single nuclei transcriptomics and functional assays, we discovered that this disease mechanism leads to increased susceptibility of specific neuronal subtypes, including inhibitory nitrergic neurons, to platins. Histological assessment of the enteric nervous system in platin-treated patients confirmed the selective loss of nitrergic neurons. Finally, we demonstrated that pharmacological and genetic inhibition of muscarinic cholinergic signaling is sufficient to rescue enteric neurons from platin excitotoxicity in vitro and can prevent platin-induced constipation and degeneration of nitrergic neurons in mice. These studies define the mechanisms of platin-induced enteric neuropathy and serve as a framework for uncovering cell type-specific manifestations of cellular stress underlying numerous intractable peripheral neuropathies.

Summary The enteric nervous system (ENS) is a tantalizing frontier in neuroscience. With the recent emergence of single cell transcriptomic technologies, this rare and poorly understood tissue has begun to be better characterized in recent years. A precise functional mapping of enteric neuron diversity is critical for understanding ENS biology and enteric neuropathies. Nonetheless, this pursuit has faced considerable technical challenges. By leveraging different methods to compare available primary mouse and human ENS datasets, we underscore the urgent need for careful identity annotation, achieved through the harmonization and advancements of wet lab and computational techniques. We took different approaches including differential gene expression, module scoring, co-expression and correlation analysis, unbiased biological function hierarchical clustering, data integration and label transfer to compare and contrast functional annotations of several independently reported ENS datasets. These analyses highlight substantial discrepancies stemming from an overreliance on transcriptomics data without adequate validation in tissues. To achieve a comprehensive understanding of enteric neuron identity and their functional context, it is imperative to expand tissue sources and incorporate innovative technologies such as multiplexed imaging, electrophysiology, spatial transcriptomics, as well as comprehensive profiling of epigenome, proteome, and metabolome. Harnessing human pluripotent stem cell (hPSC) models provides unique opportunities for delineating lineage trees of the human ENS, and offers unparalleled advantages, including their scalability and compatibility with genetic manipulation and unbiased screens. We encourage a paradigm shift in our comprehension of cellular complexity and function in the ENS by calling for large-scale collaborative efforts and research investments.

Summary/Abstract The neural crest (NC) is highly multipotent and generates diverse lineages in the developing embryo. However, spatiotemporally distinct NC populations display differences in fate potential, such as increased gliogenic and parasympathetic potential from later migrating, nerve-associated Schwann cell precursors (SCPs). Interestingly, while melanogenic potential is shared by both early migrating NC and SCPs, differences in melanocyte identity resulting from differentiation through these temporally distinct progenitors have not been determined. Here, we leverage a human pluripotent stem cell (hPSC) model of NC temporal patterning to comprehensively characterize human NC heterogeneity, fate bias, and lineage development. We captured the transition of NC differentiation between temporally and transcriptionally distinct melanogenic progenitors and identified modules of candidate transcription factor and signaling activity associated with this transition. For the first time, we established a protocol for the directed differentiation of melanocytes from hPSCs through a SCP intermediate, termed trajectory 2 (T2) melanocytes. Leveraging an existing protocol for differentiating early NC-derived melanocytes, termed trajectory 1 (T1), we performed the first comprehensive comparison of transcriptional and functional differences between these distinct melanocyte populations, revealing differences in pigmentation and unique expression of transcription factors, ligands, receptors and surface markers. We found a significant link between the T2 melanocyte transcriptional signature and decreased survival in melanoma patients in the cancer genome atlas (TCGA). We performed an in vivo CRISPRi screen of T1 and T2 melanocyte signature genes in a human melanoma cell line and discovered several T2-specific markers that promote lung metastasis in mice. We further demonstrated that one of these factors, SNRPB, regulates the splicing of transcripts involved in metastasis relevant functions such as migration, cell adhesion and proliferation. Overall, this study identifies distinct developmental trajectories as a source of diversity in melanocytes and implicates the unique molecular signature of SCP-derived melanocytes in metastatic melanoma.