A previously unrecognized subset of human natural killer (NK) lymphocytes is reported. These 'NK-22' cells are selectively localized in tonsil and gut mucosa and, in contrast to conventional NK cells, are poorly cytotoxic and secrete little or no interferon. Rather, they specialize in the secretion of interleukin 22 (IL-22), IL-26 and leukaemia inhibitory factor, all of which have been implicated in the protection of epithelia. The properties of NK-22 cells are consistent with an anti-inflammatory response that may contribute to the maintenance of mucosal integrity. This study identifies a subset of natural killer (NK) cells in the gut that produce interleukin-22, rather than mediate target cell killing. It is suggested that these NK cells, referred to as NK-22 cells, may help constrain inflammation and contribute to the maintenance of mucosal integrity. Natural killer (NK) cells are classically viewed as lymphocytes that provide innate surveillance against virally infected cells and tumour cells through the release of cytolytic mediators and interferon (IFN)-γ. In humans, blood CD56dim NK cells specialize in the lysis of cell targets1. In the lymph nodes, CD56bright NK cells secrete IFN-γ cooperating with dendritic cells and T cells in the generation of adaptive responses1,2. Here we report the characterization of a human NK cell subset located in mucosa-associated lymphoid tissues, such as tonsils and Peyer’s patches, which is hard-wired to secrete interleukin (IL)-22, IL-26 and leukaemia inhibitory factor. These NK cells, which we refer to as NK-22 cells, are triggered by acute exposure to IL-23. In vitro, NK-22-secreted cytokines stimulate epithelial cells to secrete IL-10, proliferate and express a variety of mitogenic and anti-apoptotic molecules. NK-22 cells are also found in mouse mucosa-associated lymphoid tissues and appear in the small intestine lamina propria during bacterial infection, suggesting that NK-22 cells provide an innate source of IL-22 that may help constrain inflammation and protect mucosal sites.

We have identified cellular and molecular features of the stem cell niche required for marked amplification of mouse colonic epithelial progenitors (ColEPs) that occurs in response to wounding of the epithelium with dextran sodium sulfate. This regenerative response in areas adjacent to breaches in the epithelial barrier depends on the gut microbiota because ColEP proliferation is markedly diminished in germ-free animals. Analysis of conventionally raised C57BL/6 (B6) knockout mice lacking the Toll-like receptor signal transduction pathway component Myd88 and wild-type animals transplanted with Myd88(-/-) bone marrow, revealed that Myd88-mediated signaling through mesenchymal cells is also required for the ColEP response. Studies of B6 Csf1(op/op) (lacking macrophages) mice, Rag1(-/-) mice, and wild-type mice treated with neutrophil-specific Gr1 mAbs, disclosed that macrophages but not lymphocytes or neutrophils are necessary. GeneChip analysis of laser-capture-microdissected mesenchymal cells coupled with immunohistochemical and electron microscopic studies showed that, during the regenerative response, macrophages in the pericryptal stem cell niche express genes associated with their activation and extend processes to directly contact ColEPs near the crypt base. GeneChip analysis also identified a number of potential molecular mediators of regeneration expressed in the pericryptal progenitor niche, including secreted factors that stimulate epithelial proliferation and proteins involved in extracellular matrix and basement membrane function, stability, and growth factor binding. Together, these studies indicate that the colonic epithelial progenitor niche is a dynamic structure in which macrophages function as mobile "cellular transceivers" that coordinate inputs from luminal microbes and injured epithelium and transmit regenerative signals to neighboring ColEPs.

The evolutionarily conserved execution phase of apoptosis is defined by characteristic changes occurring during the final stages of death; specifically cell shrinkage, dynamic membrane blebbing, condensation of chromatin, and DNA fragmentation. Mechanisms underlying these hallmark features of apoptosis have previously been elusive, largely because the execution phase is a rapid event whose onset is asynchronous across a population of cells. In the present study, a model system is described for using the caspase inhibitor, z-VAD-FMK, to block apoptosis and generate a synchronous population of cells actively extruding and retracting membrane blebs. This model system allowed us to determine signaling mechanisms underlying this characteristic feature of apoptosis. A screen of kinase inhibitors performed on synchronized blebbing cells indicated that only myosin light chain kinase (MLCK) inhibitors decreased blebbing. Immunoprecipitation of myosin II demonstrated that myosin regulatory light chain (MLC) phosphorylation was increased in blebbing cells and that MLC phosphorylation was prevented by inhibitors of MLCK. MLC phosphorylation is also mediated by the small G protein, Rho. C3 transferase inhibited apoptotic membrane blebbing, supporting a role for a Rho family member in this process. Finally, blebbing was also inhibited by disruption of the actin cytoskeleton. Based on these results, a working model is proposed for how actin/myosin II interactions cause cell contraction and membrane blebbing. Our results provide the first evidence that MLC phosphorylation is critical for apoptotic membrane blebbing and also implicate Rho signaling in these active morphological changes. The model system described here should facilitate future studies of MLCK, Rho, and other signal transduction pathways activated during the execution phase of apoptosis.

Proliferation of the self-renewing epithelium of the gastric corpus occurs almost exclusively in the isthmus of the glands, from where cells migrate bidirectionally toward pit and base. The isthmus is therefore generally viewed as the stem cell zone. We find that the stem cell marker Troy is expressed at the gland base by a small subpopulation of fully differentiated chief cells. By lineage tracing with a Troy-eGFP-ires-CreERT2 allele, single marked chief cells are shown to generate entirely labeled gastric units over periods of months. This phenomenon accelerates upon tissue damage. Troy+ chief cells can be cultured to generate long-lived gastric organoids. Troy marks a specific subset of chief cells that display plasticity in that they are capable of replenishing entire gastric units, essentially serving as quiescent “reserve” stem cells. These observations challenge the notion that stem cell hierarchies represent a “one-way street.”

Summary Tissue-resident macrophages (TRMs) are long-lived cells that maintain locally and can be phenotypically distinct from monocyte-derived macrophages (MDMs). However, whether TRMs and MDMs have functional distinction under differing pathologies is not understood. Here, we show a significant portion of macrophages that accumulated during pancreatitis and pancreatic cancer were expanded from TRMs. We further established that pancreas TRMs have a distinct extracellular matrix remodeling phenotype that was critical for maintaining tissue homeostasis during inflammation. Loss of TRMs led to exacerbation of severe pancreatitis and animal death, due to impaired acinar cell survival and recovery. In pancreatitis, TRMs elicited protective effects by triggering the accumulation and activation of fibroblasts, which was necessary for initiating fibrosis as a wound healing response. The same TRM-driven fibrosis, however, drove pancreas cancer pathogenesis and progression. Together, these findings indicate that TRMs play divergent roles in the pathogenesis of pancreatitis and cancer through regulation of stromagenesis.

ABSTRACT BACKGROUND & AIMS Acinar to ductal metaplasia (ADM) occurs in the pancreas in response to tissue injury and is a potential precursor for adenocarcinoma. The goal of these studies was to define the populations arising from ADM, the associated transcriptional changes, and markers of disease progression. METHODS Acinar cells were lineage-traced with enhanced yellow fluorescent protein (EYFP) to follow their fate upon injury. Transcripts of over 13,000 EYFP+ cells were determined using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq). Developmental trajectories were generated. Data were compared to gastric metaplasia, Kras G12D -induced neoplasia, and human pancreatitis. Results were confirmed by immunostaining and electron microscopy. Kras G12D was expressed in injury-induced ADM using several inducible Cre drivers. Surgical specimens of chronic pancreatitis from 15 patients were evaluated by immunostaining. RESULTS scRNA-seq of ADM revealed emergence of a mucin/ductal population resembling gastric pyloric metaplasia. Lineage trajectories suggest that some pyloric metaplasia cells can generate tuft and enteroendocrine cells (EECs). Comparison to Kras G12D -induced ADM identifies populations associated with disease progression. Activation of Kras G12D expression in HNF1B+ or POU2F3+ ADM populations leads to neoplastic transformation and formation of MUC5AC+ gastric-pit-like cells. Human pancreatitis samples also harbor pyloric metaplasia with a similar transcriptional phenotype. CONCLUSIONS Under conditions of chronic injury, acinar cells undergo a pyloric-type metaplasia to mucinous progenitor-like populations, which seed disparate tuft cell and EEC lineages. ADM-derived EEC subtypes are diverse. Kras G12D expression is sufficient to drive neoplasia from injury-induced ADM and offers an alternative origin for tumorigenesis. This program is conserved in human pancreatitis, providing insight into early events in pancreas diseases.

ABSTRACT Injury can cause differentiated cells to undergo massive reprogramming to become proliferative to repair tissue via a cellular program called paligenosis. Gastric digestive-enzyme-secreting chief cells use paligenosis to reprogram into progenitor-like Spasmolytic-Polypeptide Expressing Metaplasia (SPEM) cells. Stage 1 of paligenosis is to downscale mature cell architecture via a process involving lysosomes. Here, we noticed that sulfated glycoproteins (which are metaplasia and cancer markers in mice and humans) were not digested during paligenosis but excreted into the gland lumen. Various genetic and pharmacological approaches showed that endoplasmic reticulum membranes and secretory granule cargo were also excreted and that the process proceeded in parallel with, but was independent lysosomal activity. 3-dimensional light and electron-microscopy demonstrated that excretion occurred via unique, complex, multi-chambered invaginations of the apical plasma membrane. As this lysosome-independent cell cleansing process does not seem to have been priorly described, we termed it “cathartocytosis”. Cathartocytosis allows a cell to rapidly eject excess material (likely in times of extreme stress such as are induced by paligenosis) without waiting for autophagic and lysosomal digestion. We speculate the ejection of sulfated glycoproteins (likely mucins) would aid in downscaling and might also help bind and flush pathogens (like H pylori which causes SPEM) away from tissue.

A healthy bladder requires the homeostatic maintenance of and rapid regeneration of urothelium upon stress/injury/infection. Several factors have been identified to play important roles in urothelial development, injury and disease response, however, little is known about urothelial regulation at homeostasis. Here, we identify a new role for IFRD1, a stress-induced gene that has recently been demonstrated to play a critical role in adult tissue proliferation and regeneration, in maintenance of urothelial function/ homeostasis in a mouse model. We show that the mouse bladder expresses IFRD1 at homeostasis and its loss alters the global transcriptome of the bladder with significant accumulation of cellular organelles including multivesicular bodies with undigested cargo, lysosomes and mitochondria. We demonstrate that IFRD1 interacts with several mRNA-translation-regulating factors in human urothelial cells and that the urothelium of Ifrd1−/− mice reveal decreased global translation and enhanced endoplasmic reticulum (ER) stress response. Ifrd1−/− bladders have activation of the unfolded protein response (UPR) pathway, specifically the PERK arm, with a concomitant increase in oxidative stress and spontaneous exfoliation of urothelial cells. Further, we show that such increase in cell shedding is associated with a compensatory proliferation of the basal cells but impaired regeneration of superficial cells. Finally, we show that upon loss of IFRD1, mice display aberrant voiding behavior. Thus, we propose that IFRD1 is at the center of many crucial cellular pathways that work together to maintain urothelial homeostasis, highlighting its importance as a target for diagnosis and/or therapy in bladder conditions.

Abstract Ascariasis (roundworm) is the most common parasitic helminth infection globally and can lead to significant morbidity in children including chronic lung disease. Children become infected with Ascaris spp. via oral ingestion of eggs. It has long been assumed that Ascaris egg hatching and larval translocation across the gastrointestinal mucosa to initiate infection occurs in the small intestine. Here, we show that A. suum larvae hatched in the host stomach in a murine model. Larvae utilize acidic mammalian chitinase (AMCase; acid chitinase; Chia ) from chief cells and acid pumped by parietal cells to emerge from eggs on the surface of gastric epithelium. Furthermore, antagonizing AMCase and gastric acid in the stomach decreases parasitic burden in the liver and lungs and attenuates lung disease. Given Ascaris eggs are chitin-coated, the gastric corpus would logically be the most likely organ for egg hatching, though this is the first study directly evincing the essential role of the host gastric corpus microenvironment. These findings point towards potential novel mechanisms for therapeutic targets to prevent ascariasis and identify a new biomedical significance of AMCase in mammals.

ABSTRACT Introduction Multiple previous studies have shown the monoclonal antibody Das-1 (formerly called 7E 12 H 12 ) specifically recognizes metaplastic and carcinomatous lesions in multiple organs of the gastrointestinal system (e.g. Barrett’s esophagus, intestinal-type metaplasia of the stomach, gastric adenocarcinoma, high-grade pancreatic intraepithelial neoplasm, and pancreatic ductal adenocarcinoma) as well as in other organs (bladder and lung carcinomas). Beyond being a useful biomarker in tissue, mAb Das-1 has recently proven to be more accurate than current paradigms for identifying cysts harboring advanced neoplasia. Though this antibody has been used extensively for clinical, basic science, and translational applications for decades, its epitope has remained elusive. Methods In this study, we chemically deglycosylated a standard source of antigen, which resulted in near complete loss of the signal as measured by western blot analysis. The epitope recognized by mAb Das-1 was determined by affinity to a comprehensive glycan array and validated by inhibition of a direct ELISA. Results The epitope recognized by mAb Das-1 is 3’-Sulfo-Lewis A (3’-Sulfo-Le A ). 3’-Sulfo-Le A is broadly reexpressed across numerous GI epithelia and elsewhere only after metaplastic and carcinomatous transformation. Discussion 3’-Sulfo-Le A is a clinically important antigen that can be detected both intracellularly in tissue using immunohistochemistry and extracellularly in cyst fluid and serum by ELISA. The results open new avenues for tumorigenic risk stratification of various gastrointestinal lesions.