Bardet-Biedl syndrome (BBS) is a genetically heterogeneous developmental disorder whose molecular basis is largely unknown. Here, we show that mutations in the Caenorhabditis elegans bbs-7 and bbs-8 genes cause structural and functional defects in cilia. C. elegans BBS proteins localize predominantly at the base of cilia, and like proteins involved in intraflagellar transport (IFT), a process necessary for cilia biogenesis and maintenance, move bidirectionally along the ciliary axoneme. Importantly, we demonstrate that BBS-7 and BBS-8 are required for the normal localization/motility of the IFT proteins OSM-5/Polaris and CHE-11, and to a notably lesser extent, CHE-2. We propose that BBS proteins play important, selective roles in the assembly and/or function of IFT particle components. Our findings also suggest that some of the cardinal and secondary symptoms of BBS, such as obesity, diabetes, cardiomyopathy, and learning defects may result from cilia dysfunction.

The authors find that cell-intrinsic activation of Hedgehog signaling without genetic alterations is a contributing feature to the progression and chemotherapy resistance of small-cell lung carcinoma, and that Hedgehog inhibition can prevent lung cancer growth and recurrence. Small-cell lung cancer (SCLC) is an aggressive neuroendocrine subtype of lung cancer for which there is no effective treatment1,2. Using a mouse model in which deletion of Rb1 and Trp53 in the lung epithelium of adult mice induces SCLC3,4, we found that the Hedgehog signaling pathway is activated in SCLC cells independently of the lung microenvironment. Constitutive activation of the Hedgehog signaling molecule Smoothened (Smo) promoted the clonogenicity of human SCLC in vitro and the initiation and progression of mouse SCLC in vivo. Reciprocally, deletion of Smo in Rb1 and Trp53-mutant lung epithelial cells strongly suppressed SCLC initiation and progression in mice. Furthermore, pharmacological blockade of Hedgehog signaling inhibited the growth of mouse and human SCLC, most notably following chemotherapy. These findings show a crucial cell-intrinsic role for Hedgehog signaling in the development and maintenance of SCLC and identify Hedgehog pathway inhibition as a therapeutic strategy to slow the progression of disease and delay cancer recurrence in individuals with SCLC.

Summary Motile cilia have essential cellular functions in development, reproduction, and homeostasis. Genetic causes for motile ciliopathies have been identified, but the consequences on cellular functions beyond impaired motility remain unknown. Variants in CCDC39 and CCDC40 cause severe disease not explained by loss of motility. Using human cells with pathological variants in these genes, Chlamydomonas genetics, cryo-electron microscopy, single cell RNA transcriptomics, and proteomics, we identified perturbations in multiple cilia-independent pathways. Absence of the axonemal CCDC39/CCDC40 heterodimer results in loss of a connectome of over 90 proteins. The undocked connectome activates cell quality control pathways, switches multiciliated cell fate, impairs microtubule architecture, and creates a defective periciliary barrier. Both cilia-dependent and independent defects are likely responsible for the disease severity. Our findings provide a foundation for reconsidering the broad cellular impact of pathologic variants in ciliopathies and suggest new directions for therapies.

Abstract Ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) involves the physical magnification of specimens embedded in hydrogels, which allows for super-resolution imaging of subcellular structures using a conventional diffraction-limited microscope. Methods for expansion microscopy exist for several organisms, organs, and cell types, and used to analyze cellular organelles and substructures in nanoscale resolution. Here, we describe a simple step-by-step U-ExM protocol for the expansion, immunostaining, imaging, and analysis of cytoskeletal and organellar structures in kidney tissue. We detail the critical modified steps to optimize isotropic kidney tissue expansion, and preservation of the renal cell structures of interest. We demonstrate the utility of the approach using several markers of renal cell types, centrioles, cilia, the extracellular matrix, and other cytoskeletal elements. Finally, we show that the approach works well on mouse and human kidney samples that were preserved using different fixation and storage conditions. Overall, this protocol provides a simple and cost-effective approach to analyze both pre-clinical and clinical renal samples in high detail, using conventional lab supplies and standard widefield or confocal microscopy.

Summary Defective centrosome function can disrupt embryonic kidney development, by causing changes to the renal interstitium that leads to fibrocystic disease pathologies. Yet, it remains unknown how mutations in centrosome genes impact kidney interstitial cells. Here, we examined the consequences of defective centrosome biogenesis on stromal progenitor cell growth, differentiation and fate. Conditional deletion of Cep120 , a ciliopathy gene essential for centrosome duplication, in the stromal mesenchyme resulted in reduced abundance of pericytes, interstitial fibroblasts and mesangial cells. This was due to delayed mitosis, increased apoptosis, and changes in Wnt and Hedgehog signaling essential for differentiation of stromal lineages. Cep120 ablation resulted in hypoplastic kidneys with medullary atrophy and delayed nephron maturation. Finally, centrosome loss in the interstitium sensitized kidneys of adult mice, causing rapid fibrosis via enhanced TGF-β/Smad3-Gli2 signaling after renal injury. Our study defines the cellular and developmental defects caused by centrosome dysfunction in embryonic kidney stroma. Graphical Abstract Highlights Defective centrosome biogenesis in kidney stroma causes: Reduced abundance of stromal progenitors, interstitial and mesangial cell populations Defects in cell-autonomous and paracrine signaling Abnormal/delayed nephrogenesis and tubular dilations Accelerates injury-induced fibrosis via defective TGF-β/Smad3-Gli2 signaling axis

Abstract Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease (ADPKD) is an inherited monogenic disorder accounting for ∼5% of patients with renal failure. Yet, therapeutics for the treatment of ADPKD remain limited. ADPKD tissues display defects in the biogenesis of the centrosome which causes genome instability, aberrant ciliary signaling, and secretion of pro-inflammatory factors that drive cyst growth and fibrosis. Cystic cells form excess centrosomes via a process termed centrosome amplification (CA), which often causes abnormal multipolar spindle configurations, mitotic catastrophe, and reduced cell viability. However, cells with CA can suppress multipolarity via “centrosome clustering”, a key mechanism by which cells circumvent apoptosis. Here, we demonstrate that inhibiting centrosome clustering can counteract the proliferation of renal cystic cells with high incidences of CA. Using ADPKD human cells and mouse models, we show that blocking centrosome clustering with two inhibitors, CCB02 and PJ34, blocks cyst initiation and growth in vitro and in vivo . Inhibition of centrosome clustering activates a p53-mediated mitotic surveillance mechanism leading to apoptosis, reduced cyst expansion, interstitial fibrosis, and improved kidney function. Transcriptional analysis of kidneys from treated mice identified pro-inflammatory signaling pathways implicated in CA-mediated cystogenesis and fibrosis. Our results provide the first evidence that centrosome clustering is a cyst-selective target for the improvement of renal morphology and function in ADPKD.

Motile cilia are beating machines that play a critical role in airway defense. During airway cell differentiation, hundreds of motile cilia are templated from basal bodies that extend a basal foot, an appendage that links motile cilia together to ensure beating coordination. This assembly has thus far escaped structural analysis because its size is below the resolution limit. Here, we determine the molecular architecture and identify basal foot proteins using a super-resolution-driven approach. Quantitative super-resolution image analysis shows that the basal foot is organized in three main regions linked by elongated coiled-coil proteins. FIB-SEM tomography and comparative super-resolution mapping of basal feet reveal that, among hundreds of motile cilia of an airway cell, a hybrid cilium with features of primary and motile cilia is harbored. The hybrid cilium is conserved in mammalian multiciliated cells and originates from parental centrioles. We further demonstrate that this novel cilium is a signalling centre whose cellular position is dependent on flow.

DNAAF5 is a dynein motor assembly factor associated with the autosomal heterogenic recessive condition of motile cilia, primary ciliary dyskinesia (PCD). The effects of allele heterozygosity on motile cilia function are unknown. We used CRISPR-Cas9 genome editing in mice to recreate a human missense variant identified in patients with mild PCD and a second, frameshift null deletion in Dnaaf5 . Litters with Dnaaf5 heteroallelic variants showed distinct missense and null gene dosage effects. Homozygosity for the null Dnaaf5 alleles was embryonic lethal. Compound heterozygous animals with the missense and null alleles showed severe disease manifesting as hydrocephalus and early lethality. However, animals homozygous for the missense mutation had improved survival, with partial preserved cilia function and motor assembly observed by ultrastructure analysis. Notably, the same variant alleles exhibited divergent cilia function across different multiciliated tissues. Proteomic analysis of isolated airway cilia from mutant mice revealed reduction in some axonemal regulatory and structural proteins not previously reported in DNAAF5 variants. While transcriptional analysis of mouse and human mutant cells showed increased expression of genes coding for axonemal proteins. Together, these findings suggest allele-specific and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly that may affect disease phenotypes and clinical trajectory in motile ciliopathies.A mouse model of human DNAAF5 primary ciliary dyskinesia variants reveals gene dosage effects of mutant alleles and tissue-specific molecular requirements for cilia motor assembly.

Mutations that disrupt centrosome structure or function cause congenital kidney developmental defects and fibrocystic pathologies. Yet, it remains unclear how mutations in proteins essential for centrosome biogenesis impact embryonic kidney development. Here, we examined the consequences of conditional deletion of a ciliopathy gene, Cep120, in the two nephron progenitor niches of the embryonic kidney. Cep120 loss led to reduced abundance of both metanephric mesenchyme and ureteric bud progenitor populations. This was due to a combination of delayed mitosis, increased apoptosis, and premature differentiation of progenitor cells. These defects resulted in dysplastic kidneys at birth, which rapidly formed cysts, displayed increased interstitial fibrosis, and decline in filtration function. RNA sequencing of embryonic and postnatal kidneys from Cep120-null mice identified changes in pathways essential for branching morphogenesis, cystogenesis and fibrosis. Our study defines the cellular and developmental defects caused by centrosome dysfunction during kidney development, and identifies new therapeutic targets for renal centrosomopathies.

Abstract Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is the most common hereditary kidney disease and causes significant morbidity, ultimately leading to end-stage kidney disease. PKD pathogenesis is characterized by complex and dynamic alterations in multiple cell types during disease progression, hampering a deeper understanding of disease mechanism and the development of therapeutic approaches. Here, we generate a single nucleus multimodal atlas of an orthologous mouse PKD model at early, mid and late timepoints, consisting of 125,434 single-nucleus transcriptomic and epigenetic multiomes. We catalogue differentially expressed genes and activated epigenetic regions in each cell type during PKD progression, characterizing cell-type-specific responses to Pkd1 deletion. We describe heterogeneous, atypical collecting duct cells as well as proximal tubular cells that constitute cyst epithelia in PKD. The transcriptional regulation of the cyst lining cell marker GPRC5A is conserved between mouse and human PKD cystic epithelia, suggesting shared gene regulatory pathways. Our single nucleus multiomic analysis of mouse PKD provides a foundation to understand the earliest changes molecular deregulation in a mouse model of PKD at a single-cell resolution.