Tissue fibrosis is characterized by uncontrolled deposition and diminished clearance of fibrous connective tissue proteins, ultimately leading to organ scarring. Yes-associated protein (YAP) and transcriptional coactivator with PDZ-binding motif (TAZ) have recently emerged as pivotal drivers of mesenchymal cell activation in human fibrosis. Therapeutic strategies inhibiting YAP and TAZ have been hindered by the critical role that these proteins play in regeneration and homeostasis in different cell types. Here, we find that the Gαs-coupled dopamine receptor D1 (DRD1) is preferentially expressed in lung and liver mesenchymal cells relative to other resident cells of these organs. Agonism of DRD1 selectively inhibits YAP/TAZ function in mesenchymal cells and shifts their phenotype from profibrotic to fibrosis resolving, reversing in vitro extracellular matrix stiffening and in vivo tissue fibrosis in mouse models. Aromatic l-amino acid decarboxylase [DOPA decarboxylase (DDC)], the enzyme responsible for the final step in biosynthesis of dopamine, is decreased in the lungs of subjects with idiopathic pulmonary fibrosis, and its expression inversely correlates with disease severity, consistent with an endogenous protective role for dopamine signaling that is lost in pulmonary fibrosis. Together, these findings establish a pharmacologically tractable and cell-selective approach to targeting YAP/TAZ via DRD1 that reverses fibrosis in mice.

Abstract Cells integrate mechanical cues to direct fate specification to maintain tissue function and homeostasis. While disruption of these cues is known to lead to aberrant cell behavior and chronic diseases, such as tendinopathies, the underlying mechanisms by which mechanical signals maintain cell function is not well understood. Here, we show using a novel model of tendon de-tensioning that loss of tensile cues in vivo acutely changes nuclear morphology, positioning, and expression of catabolic gene programs. Using paired ATAC/RNAseq, we further identify that a loss of cellular tension rapidly reduces chromatin accessibility in the vicinity of Yap/Taz genomic targets while also increasing expression of genes involved in matrix catabolism. Overexpression of Yap results in a reduction of chromatin accessibility at matrix catabolic gene loci, while also reducing transcriptional levels. Concordantly, depletion of Yap/Taz elevates matrix catabolic expression. Finally, we demonstrate that overexpression of Yap not only prevents the induction of a broad catabolic program following a loss of cellular tension, but also preserves the underlying chromatin state from force-induced alterations. Taken together, these results provide novel mechanistic details by which mechanical signals regulate tendon cell function to preserve matrix homeostasis through a Yap/Taz axis. Significance Statement Cells integrate mechanical signals to regulate biological outputs within tissues. These processes are required for tissue function and homeostasis. Here, we show how mechanical cues (e.g. tension) directs tendon cell function and fate at a transcriptional and epigenetic level. Furthermore, we show that disruption of these mechanical cues leads to a disease-like cell state, indicating these mechanosensitive pathways could be important for diseases driven by perturbed mechanical signaling, such as tendinopathy. Finally, we demonstrate that genetic perturbation of a single protein can preserve cell and chromatin state following a loss of tension, supporting novel avenues for the development of innovative mechano-therapeutics.

Abstract Matrix stiffness is a central regulator of fibroblast function. However, the transcriptional mechanisms linking matrix stiffness to changes in fibroblast phenotype are incompletely understood. Here, we evaluated the effect of matrix stiffness on genome-wide chromatin accessibility in freshly-isolated lung fibroblasts using assay for transposase-accessible chromatin followed by sequencing (ATAC-seq). We found higher matrix stiffness profoundly increased global chromatin accessibility relative to lower matrix stiffness, and these alterations were in close genomic proximity to known pro-fibrotic gene programs. Motif analysis of these regulated genomic loci identified ZNF416 as a putative mediator of fibroblast stiffness responses. Similarly, motif analysis of the promoters of differentially expressed genes observed in freshly sorted fibroblasts from an experimental bleomycin lung fibrosis model also identified ZNF416 as a putative mediator of in vivo fibroblast activation. Genome occupancy analysis using chromatin-immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) confirmed that ZNF416 occupies a broad range of genes implicated in fibroblast activation and tissue-fibrosis, with relatively little overlap in genomic occupancy with other mechanoresponsive and pro-fibrotic transcriptional regulators. Using loss and gain of function studies we demonstrated that ZNF416 plays a critical role in fibroblast proliferation, extracellular matrix synthesis and contractile function. Together these observations identify ZNF416 as novel mechano-activated transcriptional regulator of fibroblast biology.

Severe lung injury causes basal stem cells to migrate and outcompete alveolar stem cells resulting in dysplastic repair and a loss of gas exchange function. This "stem cell collision" is part of a multistep process that is now revealed to generate an injury-induced tissue niche (iTCH) containing Keratin 5+ epithelial cells and plastic Pdgfra+ mesenchymal cells. Temporal and spatial single cell analysis reveals that iTCHs are governed by mesenchymal proliferation and Notch signaling, which suppresses Wnt and Fgf signaling in iTCHs. Conversely, loss of Notch in iTCHs rewires alveolar signaling patterns to promote euplastic regeneration and gas exchange. The signaling patterns of iTCHs can differentially phenotype fibrotic from degenerative human lung diseases, through apposing flows of FGF and WNT signaling. These data reveal the emergence of an injury and disease associated iTCH in the lung and the ability of using iTCH specific signaling patterns to discriminate human lung disease phenotypes.

Abstract The lungs have a remarkable capacity to repair. However, repetitive injury can lead to progressive fibrosis and end-stage organ failure. Whether tissue-resident mesenchymal cell populations retain epigenetic memory of prior injuries that contribute to this pathological process is unknown. Here we used a genetic lineage labeling approach to mark the lung mesenchyme prior to injury, then performed multi-modal analyses on isolated lung mesenchyme during the initiation, progression and resolution of the fibrotic response. Our results demonstrate the remarkable epigenetic and transcriptional plasticity of the lung mesenchyme during fibrogenic activation and de-activation. Despite this plasticity, we also find that the lung mesenchyme retains specific epigenetic traits (memory) of prior activation, resulting in amplified induction of a fibrogenic program upon re-injury. We identify Runx1 as a critical driver of both fibrogenic activation and epigenetic memory. Comparison of fresh isolated and cultured lung mesenchyme demonstrates that Runx1 is spontaneously activated in standard culture conditions, previously masking these roles of Runx1. Genetic and pharmacological targeting of Runx1 dampens fibrogenic mesenchymal cell activation in cell and tissue models, confirming its functional importance. Finally, publicly available scRNAseq data reveal selective expression of Runx1 in the fibrogenic cell subpopulations that emerge in mouse and human fibrotic lung tissue. Collectively, our findings implicate Runx1 in both the initiation and memory of fibrogenic mesenchymal cell activation that together prime amplified mesenchymal cell responses upon repeated injury.

Abstract The dense extracellular matrix of connective tissues impedes cell migration and subsequent matrix formation at sites of injury. We recently employed transient nuclear softening via histone deacetylase inhibition with trichostatin A (TSA) treatment to overcome the stiff nuclear impediments to cell migration through dense tissues and electrospun matrices. Despite these positive findings, the long-term implications of transient nuclear softening on cell transcriptional phenotype and matrix formation capacity are unknown. To address this, we investigated the influence of transient TSA treatment on porcine meniscal cell behavior, beginning with the efficacy and reproducibility of transient TSA treatment on histone acetylation and chromatin remodeling in vitro and cell migration through native meniscus tissue. Within 3 days after cessation of transient TSA treatment, histone acetylation and chromatin remodeling returned to control levels. Following TSA treatment, endogenous cell migration through native meniscus tissue increased greater than 3-fold compared to controls. Importantly, meniscal cells completely restored their transcriptional phenotype and maintained their capacity to respond transcriptionally and functionally to a secondary pro-matrix stimuli (i.e., transforming growth factor β3) within 7 days after cessation of TSA treatment. Towards translation, we also showed the feasibility of biomaterial-delivered TSA to increase endogenous cell migration to a wound edge ex vivo. Together, this work defines the efficacy, reproducibility, safety, and feasibility of future translational approaches for nuclear softening to treat dense connective tissue injuries.