Summary Basic helix-loop-helix genes, particularly proneural genes, are well-described triggers of cell differentiation, yet limited information exists on their dynamics, notably in human development. Here, we focus on Neurogenin 3 ( NEUROG3 ), which is crucial for pancreatic endocrine lineage initiation. Using a double reporter to monitor endogenous NEUROG3 transcription and protein expression in single cells in 2D and 3D models of human pancreas development, we show peaks of expression for the RNA and protein at 22 and 11 hours respectively, approximately two-fold slower than in mice, and remarkable heterogeneity in peak expression levels all triggering differentiation. We also reveal that some human endocrine progenitors proliferate once, mainly at the onset of differentiation, rather than forming a subpopulation with sustained proliferation. Using reporter index-sorted single-cell RNA-seq data, we statistically map transcriptome to dynamic behaviors of cells in live imaging and uncover transcriptional states associated with variations in motility as NEUROG3 levels change, a method applicable to other contexts.

Abstract Many internal organs in the body harbor a fluid-filled lumen. The mechanisms of lumens initiation and fusion have been reported as dependent on organ-type during organogenesis. In contrast, the physics of lumen suggests that force balance between luminal pressure and cell mechanics could lead to conserved rules which may unify their self-organisation. However, this hypothesis lacks experimental evidence. Here we show that lumens share similar dynamics for three different systems (MDCK cysts, pancreatic spheres, and epiblast cysts) by using quantitative cell biology, microfabrication and theory. We report that initial cell number determines the maximum number of lumens but does not impact the steady state which is a final single lumen. In addition, lumens numbers exhibit two phases over time, a nucleation phase followed by a fusion phase. In the nucleation phase, lumens form between two cells in pancreatic and MDCK cysts whereas they form at the rosette stage between ten cells in epiblasts. In the second phase, lumens fuse by an increase in lumen volume for pancreatic spheres and MDCK cysts, whereas cell convergent directional motion leads to lumens fusion in epiblasts. We support these results by reproducing numerically lumens dynamics using a phase field model with simple rules for cell proliferation, cell adhesion and lumen growth. We finally use MDCK cysts to manipulate cell adhesion and lumen volume and we successfully reproduce the fusion dynamics of pancreatic spheres and epiblasts. Our results reveal self-organisation rules of lumens across systems with relevance for morphogenesis during development and for the design of synthetic organs.

Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid.

Cell polarity is essential for the architecture and function of numerous epithelial tissues. Here we show how planar cell polarity (PCP), so far studied principally in flat epithelia, is deployed during the morphogenesis of a tubular organ. Using the mammalian pancreas as a model, we report that components of the core PCP pathway such as the transmembrane protein Van Gogh-like (VANGL), are progressively apically-restricted. VANGL expression becomes asymmetrically localized at the apical surface of ductal cells, revealing a planar polarization of the pancreatic duct. We further show that restricting VANGL to these discrete sites of expression is crucial for epithelial integrity. Expansion of expression on basolateral membranes of the progenitors leads to their death and extrusion from the epithelium, as previously observed for perturbations of apico-basal polarity. Using organoids and in vivo analyses, we show that cell elimination is induced by a decrease of Rock activity via Dishevelled

Abstract Collective cell dynamics play a crucial role in many developmental and physiological contexts. While two-dimensional (2D) cell migration has been widely studied, how three-dimensional (3D) geometry and topology interplay with collective cell behavior to determine dynamics and functions remains an open question. In this work, we elucidate the biophysical mechanism underlying rotation in spherical tissues, a phenomenon widely reported both in vivo and in vitro . Using murine pancreas-derived organoids as a model system, we find that epithelial spheres exhibit persistent rotation, rotational axis drift and rotation arrest. Using a 3D vertex model, we demonstrate how the interplay between traction force and polarity alignment can account for these distinct rotational dynamics. Furthermore, our analysis shows that the spherical tissue rotates as an active solid and exhibits spontaneous chiral symmetry breaking. Using a continuum model, we demonstrate how the types and location of topological defects in the polarity field underlie this symmetry breaking process. Altogether, our work shows that tissue chirality can arise via topological defects in the pattern of cell traction forces, with potential implications for left-right symmetry breaking processes in morphogenetic events.

Abstract Many internal organs in multicellular organisms comprise epithelia which enclose fluid-filled cavities. These are referred to as lumens and their formation is regulated by a wide range of processes, including epithelial polarization, secretion, exocytosis and actomyosin contractility [1, 2]. While these mechanisms have shed light on lumen growth, what controls lumen morphology remains enigmatic. Here we use pancreas organoids to explore how lumens acquire either a spherical shape or a branched topology [3]. Combining computational simulations based on a phase field model with experimental measurements we reveal that lumen morphology arises from the balance between the cell cycle duration and lumen pressure, with more complex lumen at low pressure and fast proliferation rates. Moreover, the manipulation of proliferation and lumen pressure in silico and in vitro is sufficient to alter and reverse the morphological trajectories of the lumens. Increasing epithelial permeability of spherical lumens lead to lower lumen pressure and converts their morphology to complex lumen shapes, highlighting its crucial role. In summary, the study underscores the importance of balancing cell proliferation, lumen pressure, and epithelial permeability in determining lumen morphology, providing insights relevant to other organs, for tissue engineering and cystic disease understanding and treatment [4].

Animal tissue development relies on precise generation and deployment of specific cell types into tissue sub-structures. Understanding how this process is regulated remains a major challenge of biology. In many tissues, development progresses through a sequence of dividing progenitor cells, each with decreasing potency, that balance their growth and differentiation. Dividing progenitor cells thus face a decision on whether their offspring shall differentiate or self-renew. This results in three possible modes of division (symmetric self-renewing, symmetric differentiating, and asymmetric) all of which have been observed in developing animal tissues. In some instances, the frequencies of occurrence of these division modes are incompatible with the possibility that sibling cells take the decision to differentiate independently of each other. Rather, an excess of symmetric divisions, both proliferating and differentiating, is usually observed in so far no general mechanism by which this fate entanglement takes place has been put forward. Here we propose a simple model of progenitor priming that provides a rationale on how the fate of sibling cells might be linked. Analysis of the model suggests that commitment to the cycle completion of cells primed for differentiation might be the cause of the observed excess of symmetric divisions. The model presented is applicable to a broad range of developmental systems and provides a testing framework to explain the dynamics of cell division and differentiation are related.

Notch signaling and its effector Hes1 regulate multiple cell fate choices in the developing pancreas, but few direct target genes are known. Here we use transcriptome analyses combined with chromatin immunoprecipitation with next-generation sequencing (ChIP-seq) to identify direct target genes of Hes1. ChIP-seq analysis of endogenous Hes1 in 266-6 cells, a model of multipotent pancreatic progenitor cells, revealed high-confidence peaks associated with 354 genes. Among these were genes important for tip/trunk segregation such as Ptf1a and Nkx6-1, genes involved in endocrine differentiation such as Insm1 and Dll4, and genes encoding non-pancreatic basic-Helic-Loop-Helix (bHLH) factors such as Neurog2 and Ascl1. Surprisingly, we find that Hes1 binds a large number of loci previously reported to bind Ptf1a, including a site downstream of the Nkx6-1 gene. Notably, we find a number of Hes1 bound genes that are upregulated by γ-secretase inhibition in pancreas explants independently of Neurog3 function, including the tip progenitor/acinar genes; Ptf1a, Gata4, Bhlha15, and Gfi1. Together, our data suggest that Notch signaling suppress the tip cell fate by Hes1-mediated repression of a tip-specific gene regulatory network module that includes transcription factors such as Ptf1a, Gata4, Mist1, and Gfi1. Our data also uncover new molecular targets of Notch signaling that may be important for controlling cell fate choices in pancreas development.

Abstract Organoids are ideal systems to predict the phenotypes of organs. However, there is currently a lack of understanding regarding the generalized rules that enable use of simple cellular principles to make morphological predictions of entire organoids. Therefore, we employed a phase field model with the following basic components: the minimum conditions for the timing and volume of cell division, lumen nucleation rules, and lumenal pressure. Through our model, we could compute and generate a myriad of organoid phenotypes observed till date. We propose morphological indices necessary to characterize the shapes and construct phase diagrams and show their dependencies on proliferation time and lumen pressure. Additionally, we introduced the lumen-index parameter, which helped in examining the criteria to maintain organoids as spherical structures comprising a single layer of cells and enclosing an intact lumen. Finally, we predict a star-like organoid phenotype that did not undergo differentiation, suggesting that the volume constraint during cell division may determine the final phenotype. In summary, our approach provides researchers with guidelines to test the mechanisms of self-organization and predict the shape of organoid. Author summary In nature, a wide variety of organ morphologies are observed. Owing to the complexity of the process underlying the acquisition of organs’ morphology, it is challenging to investigate the mechanisms that lead to such variations. A promising approach to study these variations is the use of “computational organoid” study, which is the computational-based study of self-organizing shapes in multicellular assemblies and fluid-filled cavities called lumens that develop from a few proliferating cells. This study explores general mechanisms that dictate how various mechanical factors affect the growing self-organized multicellular assembly. We relied on computer simulations of the mathematical model called multicellular phase-field model with lumens and explored the mechanical factor effects, such as the lumen pressure while considering the time and volume conditions required for cell division. These simulations generated and categorized a wide range of organoid phenotypes based on the varying lumen pressure and cell division conditions. These phenotypes were characterized into seven distinct classes, based on the morphological index sets, including a cellular monolayer/multilayer surrounding single or multiple lumens and branch formation. These phenotypes were obtained without the assumption of differentiation. Our study elucidates the mechanisms underlying the organoid and organ formation with different shapes, thereby highlighting the significance of mechanical forces in shaping these complex biological structures.