Summary Hepatocytes have a unique multiaxial polarity with several apical and basal surfaces. The prevailing model for the emergence of this multipolarity and the coordination of lumen formation between adjacent hepatocytes is based on asymmetric cell division. Here, investigating polarity generation in liver cell progenitors, the hepatoblasts, during liver development in vivo and in vitro , we found that this model cannot explain the observed dynamics of apical lumen formation in the embryonic liver. Instead, we identified a new mechanism of multi-axial polarization: We found that polarization can be initiated in a cell-autonomous manner by re-positioning apical recycling endosomes (AREs) to the cell cortex via fibronectin sensing through Integrin αV. Using live cell imaging we showed that this process repeats, leading to multiaxial polarity independently of cell division. We found that establishment of oriented trafficking leads to secretion of the metalloprotease MMP13, allowing neighboring hepatoblasts to synchronize their polarization by sensing extracellular matrix (ECM) distribution and enabling lumen opening. Finally, active remodeling of ECM in proximity of nascent apical surfaces closes a positive feedback loop of polarization, whereas disruption of this loop by either blocking MMP13 or downregulating Integrin αV prevents formation of the bile canaliculi network. Integration of this feedback loop into a simple mathematical model reproduces the observed dynamics of bile canaliculi network formation during liver development quantitatively. Our combined findings thus suggest a new mechanism of polarization coupling to self-organization at the tissue scale.

Abstract Lumen morphogenesis is key to the function of organs and results from the integration of molecular pathways and mechanical forces 1–3 . The mechanisms governing anisotropic lumen expansion remain elusive 4–6 . In contrast to epithelial cells which have simple apico-basal polarity and form tubes, hepatocytes are multi-polar and form narrow lumina that grow anisotropically between adjacent cells, collectively generating a complex 3D network of bile canaliculi (BC) 7,8 . Here, we studied lumen elongation and BC morphogenesis in differentiating primary mouse hepatoblasts in vitro . Remarkably, we discovered a pattern of specific extensions of the apical membrane traversing the lumen between adjacent hepatocytes and sealed by tight junctions, reminiscent of the bulkheads of boats. These structures were also present in the developing liver. A targeted screen revealed that silencing of Rab35 caused loss of the bulkheads, conversion of hepatocyte into simple epithelial polarity and formation of spherical lumina in vitro . Strikingly, we could re-engineer hepatocyte polarity and tissue morphogenesis in vivo in the embryonic liver, converting BC into simple epithelial tubes. Our results suggest that the apical bulkheads of hepatocytes are cell-intrinsic anisotropic mechanical elements that ensure stability of the elongating lumen between two cells, thus determining the structure of BC during liver tissue morphogenesis.