Abstract Notch signaling regulates both inner and middle ear morphogenesis and establishes a strict pattern of sensory cells in the organ of Corti in the mammalian cochlea. Patients with Alagille syndrome have impaired Notch signaling (∼94% with JAG1 mutations) resulting in sensorineural and conductive hearing loss. Here, we investigate the function of Jag1-mediated Notch activation in cochlear patterning and signaling using the Jag1 “Nodder” ( Jag1 Ndr/Ndr ) mouse model of Alagille syndrome. Jag1 Ndr/Ndr mice exhibited severe vestibular and auditory deficits and a dose-dependent increase in ectopic inner hair cells and a reduction in outer hair cells. Single cell RNA sequencing of the organ of Corti demonstrated a global dysregulation of genes associated with inner ear development and deafness. Analysis of individual cell types indicated a novel role for Jag1 in repressing Notch activation in lateral supporting cells and revealed a function for Jag1 in gene regulation and development of outer hair cells. Additionally, “outer hair cell-like” SLC26A5 (Prestin) positive cells were present in the medial compartment and pillar cell region of Jag1 Ndr/Ndr mice and exhibited location-dependent expression of the inner hair cell fate-regulator Tbx2 , revisiting the potency of Tbx2 in driving inner hair cell commitment in “outer hair cell-like” cells in the Jag1-mutant IHC compartment. Our data reveals a novel role for Jag1 in repressing Notch activation in lateral supporting cells and highlights involvement for Notch signaling in inner versus outer hair cell specification and positioning.

BACKGROUND AND AIMS: Alagille syndrome, like several other liver diseases, is characterized by malformation of lumenized structures, such as the circulatory or biliary systems. Liver architecture has typically been studied through 2D sections and, more recently, using thick tissue sections combined with immunofluorescence. We aimed to develop a robust method to image, digitalize and quantify 3D architecture of the biliary and vascular systems in tandem. METHODS: The biliary and portal vein trees of the mouse liver were injected with Microfil resin, followed by microCT scanning. Tomographic data was segmented and analyzed using a MATLAB script we wrote to investigate length, volume, tortuosity, branching, and the relation between the vascular and biliary systems. Double resin casting micro computed tomography (DUCT) was applied to a mouse model for Alagille syndrome ( Jag1Ndr/Ndr mice), in which the biliary system is absent at postnatal stages, but regenerates by adulthood. Phenotypes discovered using DUCT were validated with cumbersome consecutive liver sections from mouse and human liver including patients with Alagille syndrome. RESULTS: DUCT revealed tortuous bile ducts either placed further from portal veins, or ectopically traversing the parenchyma and connecting two portal areas, in Jag1Ndr/Ndr mice. Furthermore, bile ducts either ended abruptly, or branched independently of portal vein branching, with bifurcations placed hilar or peripheral to portal vein branches. The branching defects, parenchymal bile ducts, and blunt endings were confirmed in patient samples. CONCLUSION: DUCT is a powerful technique, which provides computerized 3D reconstruction of casted networks. It exposes and quantifies previously unknown vascular and biliary phenotypes in mouse models, revealing new phenotypes in patients.

SUMMARY The thyroid functions at the apex of a web of endocrine organs that control cell growth, differentiation and metabolic homeostasis. Thyroid dysregulation significantly impacts human health in myriad ways with thyroid diseases standing as the most common endocrine disorder. Despite the essential role of the thyroid in human health, a high-resolution view of the cellular composition as well as molecular mechanisms that govern function of this crucial organ have been lacking. Employing the first single-cell analyses of adult mouse thyroid, we here report the discovery of unexpected thyrocyte heterogeneity, specifically three distinct thyrocyte subtypes marked by different metabolic and Notch signaling patterns. Using a battery of pharmacologic and genetic methods, we find that selective inhibition of Notch ligands and receptors disrupts thyrocyte mitochondrial activity and ROS production, thus decreasing levels of circulating thyroid hormones, inducing hypothyroidism and disrupting whole-body thermoregulation. We find an enriched frequency of hypothyroidism in children with Alagille Syndrome, a genetic disorder marked by Notch loss-of-function mutations, suggesting that our Notch-thyroid mechanisms are relevant in humans and directly account for Alagille hypothyroidism. Overall, our work reveals that Notch, although classically described as a developmental pathway that determines cell fate, controls homeostasis and thermoregulation in the adult through a mitochondria-based mechanism in a subset of thyrocytes. Our fine-grained picture of the thyroid unveils a novel understanding of this key metabolic organ and provides clinically impactful insights into its pathological dysfunctions.

ABSTRACT Fibrosis is a physiological tissue repair mechanism, but excessive fibrosis can disrupt organ function. Alagille syndrome (ALGS), which is caused by mutations in the Notch ligand JAGGED1 , results in bile duct paucity, neonatal cholestasis, and a characteristic fibrotic response. Here, we show that Jag1 Ndr/Ndr mice, a model for ALGS, recapitulates ALGS-like pericellular fibrosis. Single-cell RNA-seq and multi-color flow cytometry characterization of the liver and spleen revealed immature hepatocytes and paradoxically low intrahepatic T cell infiltration in cholestatic Jag1 Ndr/Ndr mice, despite an enrichment in extrahepatic (thymic and splenic) regulatory T cells (Tregs). Jag1 Ndr/Ndr lymphocyte immune and fibrotic capacity was tested with adoptive immune cell transplantation into Rag1 -/- mice, challenged with dextran sulfate sodium (DSS) or bile duct ligation (BDL). Transplanted Jag1 Ndr/Ndr lymphocytes were less inflammatory with fewer activated T cells than Jag1 +/+ lymphocytes, in response to DSS. Cholestasis induced by BDL in Rag1 -/- mice with Jag1 Ndr/Ndr lymphocytes resulted in periportal Treg accumulation and three-fold less periportal fibrosis than in Rag1 -/- mice with Jag1 +/+ lymphocytes. Finally, we show that the Jag1 Ndr/Ndr hepatocyte expression profile and Treg overrepresentation are corroborated by transcriptomic data from children with ALGS. In sum, these data lead to a model in which Jag1-driven developmental hepatic and immune defects interact to determine the fibrotic process in ALGS.

Abstract Spontaneous lethal bleeds are major cause of death in the pediatric liver disease Alagille syndrome (ALGS), yet risk factors and screening methods have not been established. We performed a systematic review and identified significantly more female than male patients with idiopathic intracranial hemorrhage (10:1). We investigated bleeding and vasculature in patients and a mouse model for ALGS ( Jag1 Ndr/Ndr mice) and asked whether phenotypes identified in mice could be detected in patients non-invasively. Jag1 Ndr/Ndr mice bled spontaneously, exhibiting a thin skull and vascular defects including artery-vein crossings, tortuous vessels, capillary breakdown and CADASIL-like sparse vascular smooth muscle cell coverage which was aggravated by hypertension. Retinographs from patients confirmed tortuous blood vessels and artery-vein crossings in ALGS. In conclusion, Jag1 Ndr/Ndr mice could be used to develop interventions for vascular defects in ALGS, and retinography could provide a non-invasive method for vascular analysis in these pediatric patients.