Summary

 Tissue regeneration requires dynamic cellular adaptation to the wound environment. It is currently unclear how this is orchestrated at the cellular level and how cell fate is affected by severe tissue damage. Here we dissect cell fate transitions during colonic regeneration in a mouse dextran sulfate sodium (DSS) colitis model, and we demonstrate that the epithelium is transiently reprogrammed into a primitive state. This is characterized by de novo expression of fetal markers as well as suppression of markers for adult stem and differentiated cells. The fate change is orchestrated by remodeling the extracellular matrix (ECM), increased FAK/Src signaling, and ultimately YAP/TAZ activation. In a defined cell culture system recapitulating the extracellular matrix remodeling observed in vivo, we show that a collagen 3D matrix supplemented with Wnt ligands is sufficient to sustain endogenous YAP/TAZ and induce conversion of cell fate. This provides a simple model for tissue regeneration, implicating cellular reprogramming as an essential element.

Summary The intestinal epithelium forms a barrier to the lumen and ensures uptake of vital nutrients. During inflammatory diseases, such as ulcerative colitis (UC), this barrier is compromised. Here, we perform single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) of epithelial cells and outline patterns of cell fate decisions in healthy individuals and patients with UC. We demonstrate that lineage biased progenitors are major sources of normal tissue replenishment, and that patterns of cell behavior are profoundly altered in UC. We furthermore identify unique regenerative cell states linked to JAK/STAT activation extending into the non-inflamed areas of the colon. In organoid models, this can be mimicked by cytokine mediated activation of JAK/STAT leading to the emergence of cell populations with regenerative potential. These findings have profound implications for our understanding of tissue regeneration and illustrates how cytokine signaling influences cell fate decisions. This suggests widespread consequences in patients with chronic ulcerative conditions.

Abstract During intestinal organogenesis, equipotent epithelial progenitors mature into phenotypically distinct stem cells that are responsible for life-long maintenance of the tissue. While the morphological changes associated with the transition are well-characterized, the molecular mechanisms underpinning the maturation process are not fully understood. Here, we leverage intestinal organoid cultures to profile transcriptional, chromatin accessibility, DNA methylation and 3D chromatin conformation landscapes defining fetal and adult epithelial cells. We observed prominent differences in gene expression and enhancer activity, accompanied by changes in 3D organization and local changes in DNA accessibility and methylation, between the two cellular states. Using integrative analyses, we identified sustained YAP transcriptional activity as a major gatekeeper of the immature fetal state. We found the YAP-associated transcriptional network to be regulated at various levels of chromatin organization, and likely to be coordinated by changes in extracellular matrix composition. Altogether, our work highlights the value of unbiased profiling of regulatory landscapes for the identification of key mechanisms underlying tissue maturation.