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.

Lrig1 is a marker of human interfollicular epidermal stem cells and helps maintain stem cell quiescence. We show that, in mouse epidermis, Lrig1 defines the hair follicle junctional zone adjacent to the sebaceous glands and infundibulum. Lrig1 is a Myc target gene; loss of Lrig1 increases the proliferative capacity of stem cells in culture and results in epidermal hyperproliferation in vivo. Lrig1-expressing cells can give rise to all of the adult epidermal lineages in skin reconstitution assays. However, during homeostasis and on retinoic acid stimulation, they are bipotent, contributing to the sebaceous gland and interfollicular epidermis. beta-catenin activation increases the size of the junctional zone compartment, and loss of Lrig1 causes a selective increase in beta-catenin-induced ectopic hair follicle formation in the interfollicular epidermis. Our results suggest that Lrig1-positive cells constitute a previously unidentified reservoir of adult mouse interfollicular epidermal stem cells.

Mammalian epidermis is maintained by stem cells that have the ability to self-renew and generate daughter cells that differentiate along the lineages of the hair follicles, interfollicular epidermis and sebaceous gland. As stem cells divide infrequently in adult mouse epidermis, they can be visualised as DNA label-retaining cells (LRC). With whole-mount labelling, we can examine large areas of interfollicular epidermis and many hair follicles simultaneously, enabling us to evaluate stem cell markers and examine the effects of different stimuli on the LRC population. LRC are not confined to the hair follicle, but also lie in sebaceous glands and interfollicular epidermis. LRC reside throughout the permanent region of the hair follicle,where they express keratin 15 and lie in a region of high α6β4 integrin expression. LRC are not significantly depleted by successive hair growth cycles. They can, nevertheless, be stimulated to divide by treatment with phorbol ester, resulting in near complete loss of LRC within 12 days. Activation of Myc stimulates epidermal proliferation without depleting LRC and induces differentiation of sebocytes within the interfollicular epidermis. Expression of N-terminally truncated Lef1 to block β-catenin signalling induces transdifferentiation of hair follicles into interfollicular epidermis and sebocytes and causes loss of LRC primarily through proliferation. We conclude that LRC are more sensitive to some proliferative stimuli than others and that changes in lineage can occur with or without recruitment of LRC into cycle.

Lrig1, a transmembrane glycoprotein, has previously been shown to inhibit ErbB signalling. Jensen and colleagues show that Lrig1 controls the size of the intestinal stem-cell niche by modulating the amplitude of ErbB signalling. Thus, ErbB activation acts in concert with Wnt, Notch and Bmpr inhibition, to modulate stem-cell proliferation in the crypt. Maintenance of adult tissues is carried out by stem cells and is sustained throughout life in a highly ordered manner1,2. Homeostasis within the stem-cell compartment is governed by positive- and negative-feedback regulation of instructive extrinsic and intrinsic signals3,4. ErbB signalling is a prerequisite for maintenance of the intestinal epithelium following injury and tumour formation5,6. As ErbB-family ligands and receptors are highly expressed within the stem-cell niche7, we hypothesize that strong endogenous regulators must control the pathway in the stem-cell compartment. Here we show that Lrig1, a negative-feedback regulator of the ErbB receptor family8,9,10, is highly expressed by intestinal stem cells and controls the size of the intestinal stem-cell niche by regulating the amplitude of growth-factor signalling. Intestinal stem-cell maintenance has so far been attributed to a combination of Wnt and Notch activation and Bmpr inhibition11,12,13. Our findings reveal ErbB activation as a strong inductive signal for stem-cell proliferation. This has implications for our understanding of ErbB signalling in tissue development and maintenance and the progression of malignant disease.

Regeneration and homeostasis in the adult intestinal epithelium is driven by proliferative resident stem cells, whose functional properties during organismal development are largely unknown. Here, we show that human and mouse fetal intestine contains proliferative, immature progenitors, which can be expanded in vitro as Fetal Enterospheres (FEnS). A highly similar progenitor population can be established during intestinal differentiation of human induced pluripotent stem cells. Established cultures of mouse fetal intestinal progenitors express lower levels of Lgr5 than mature progenitors and propagate in the presence of the Wnt antagonist Dkk1, and new cultures can be induced to form mature intestinal organoids by exposure to Wnt3a. Following transplantation in a colonic injury model, FEnS contribute to regeneration of colonic epithelium by forming epithelial crypt-like structures expressing region-specific differentiation markers. This work provides insight into mechanisms underlying development of the mammalian intestine and points to future opportunities for patient-specific regeneration of the digestive tract.

The dermal papilla comprises the specialised mesenchymal cells at the base of the hair follicle. Communication between dermal papilla cells and the overlying epithelium is essential for differentiation of the hair follicle lineages. We report that Sox2 is expressed in all dermal papillae at E16.5,but from E18.5 onwards expression is confined to a subset of dermal papillae. In postnatal skin, Sox2 is only expressed in the dermal papillae of guard/awl/auchene follicles, whereas CD133 is expressed both in guard/awl/auchene and in zigzag dermal papillae. Using transgenic mice that express GFP under the control of the Sox2 promoter, we isolated Sox2+ (GFP+) CD133+ cells and compared them with Sox2- (GFP-) CD133+ dermal papilla cells. In addition to the `core' dermal papilla gene signature, each subpopulation expressed distinct sets of genes. GFP+CD133+ cells had upregulated Wnt, FGF and BMP pathways and expressed neural crest markers. In GFP- CD133+ cells,the hedgehog, IGF, Notch and integrin pathways were prominent. In skin reconstitution assays, hair follicles failed to form when dermis was depleted of both GFP+ CD133+ and GFP-CD133+ cells. In the absence of GFP+ CD133+cells, awl/auchene hairs failed to form and only zigzag hairs were found. We have thus demonstrated a previously unrecognised heterogeneity in dermal papilla cells and shown that Sox2-positive cells specify particular hair follicle types.

Considerable progress has been made in characterizing epidermal stem cells by microarray analysis of FACS-selected populations. One limitation of this approach is that the gene expression profiles represent the average of the cell population, potentially masking cellular heterogeneity of functional significance. To overcome this problem, we have performed single-cell expression profiling. We have generated cDNA libraries from single human epidermal cells, designated as stem or transit-amplifying cells on the basis of Delta1 and melanoma-associated chondroitin sulfate proteoglycan expression. Of the 14 putative stem cell markers identified, we selected one, the EGF receptor antagonist leucine-rich repeats and immunoglobulin-like domains 1 (Lrig1), for further study. Lrig1 was expressed in groups of basal cells in human interfollicular epidermis previously identified as enriched for stem cells. Overexpression of Lrig1 decreased keratinocyte proliferation but did not affect the proportion of stem and transit-amplifying cells, as judged by clonal growth characteristics. Down-regulation of Lrig1 using siRNA increased cell-surface EGF receptor levels, enhanced activation of downstream pathways, and stimulated proliferation. Lrig1 acted in part by negatively regulating the Myc promoter. We propose that Lrig1 maintains epidermal stem cells in a quiescent nondividing state, and that Lrig1 down-regulation triggers proliferation.

The complex anatomy of the epidermis contains multiple adult stem cell populations, but the extent to which they functionally overlap during homeostasis, wound healing, and tumor initiation remains poorly defined. Here, we demonstrate that Lrig1+ve cells are highly proliferative epidermal stem cells. Long-term clonal analysis reveals that Lrig1+ve cells maintain the upper pilosebaceous unit, containing the infundibulum and sebaceous gland as independent compartments, but contribute to neither the hair follicle nor the interfollicular epidermis, which are maintained by distinct stem cell populations. In contrast, upon wounding, stem cell progeny from multiple compartments acquire lineage plasticity and make permanent contributions to regenerating tissue. We further show that oncogene activation in Lrig1+ve cells drives hyperplasia but requires auxiliary stimuli for tumor formation. In summary, our data demonstrate that epidermal stem cells are lineage restricted during homeostasis and suggest that compartmentalization may constitute a conserved mechanism underlying epithelial tissue maintenance.

Repair of defects in the common bile duct is hampered by a lack of healthy donor tissue. Developing human extrahepatic cholangiocyte organoids and testing them in mouse models may provide a way to overcome this limitation. The treatment of common bile duct (CBD) disorders, such as biliary atresia or ischemic strictures, is restricted by the lack of biliary tissue from healthy donors suitable for surgical reconstruction. Here we report a new method for the isolation and propagation of human cholangiocytes from the extrahepatic biliary tree in the form of extrahepatic cholangiocyte organoids (ECOs) for regenerative medicine applications. The resulting ECOs closely resemble primary cholangiocytes in terms of their transcriptomic profile and functional properties. We explore the regenerative potential of these organoids in vivo and demonstrate that ECOs self-organize into bile duct–like tubes expressing biliary markers following transplantation under the kidney capsule of immunocompromised mice. In addition, when seeded on biodegradable scaffolds, ECOs form tissue-like structures retaining biliary characteristics. The resulting bioengineered tissue can reconstruct the gallbladder wall and repair the biliary epithelium following transplantation into a mouse model of injury. Furthermore, bioengineered artificial ducts can replace the native CBD, with no evidence of cholestasis or occlusion of the lumen. In conclusion, ECOs can successfully reconstruct the biliary tree, providing proof of principle for organ regeneration using human primary cholangiocytes expanded in vitro.

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.