ABSTRACT The adult liver has exceptional ability to regenerate, but how it sustains normal metabolic activities during regeneration remains unclear. Here, we use partial hepatectomy (PHx) in tandem with single-cell transcriptomics to track cellular transitions and heterogeneities of ~22,000 liver cells through the initiation, progression, and termination phases of mouse liver regeneration. Our results reveal that following PHx, a subset of hepatocytes transiently reactivates an early-postnatal-like gene expression program to proliferate, while a distinct population of metabolically hyperactive cells appears to compensate for any temporary deficits in liver function. Importantly, through combined analysis of gene regulatory networks and cell-cell interaction maps, we find that regenerating hepatocytes redeploy key developmental gene regulons, which are guided by extensive ligand–receptor mediated signaling events between hepatocytes and non-parenchymal cells. Altogether, our study offers a detailed blueprint of the intercellular crosstalk and cellular reprogramming that balances the metabolic and proliferation requirements of a regenerating liver.

SUMMARY Hepatocyte polyploidy and maturity are critical to acquiring specialized liver functions. Multiple intra- and extracellular factors influence ploidy, but how they cooperate temporally to steer liver polyploidization and maturation or how post-transcriptional mechanisms integrate into these paradigms is unknown. Here, we identified an important regulatory hierarchy in which postnatal activation of Epithelial-Splicing-Regulatory-Protein-2 (ESRP2) stimulates biogenesis of liver-specific microRNA (miR-122), thereby facilitating polyploidization, maturation, and functional competence of hepatocytes. By determining transcriptome-wide protein-RNA interactions in vivo and integrating them with single-cell and bulk hepatocyte RNA-seq datasets, we delineate an ESRP2-driven RNA processing program that drives sequential replacement of fetal-to-adult transcript isoforms. Specifically, ESRP2 binds the primary miR-122 host gene transcript to promote its processing/biogenesis. Combining constitutive and inducible ESRP2 gain- and loss-of-function mice models with miR-122 rescue experiments, we demonstrate that timed activation of ESRP2 augments miR-122-driven program of cytokinesis failure, ensuring proper onset and extent of hepatocyte polyploidization.

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 Spermatogenesis is a biological process within the testis that produces haploid spermatozoa for the continuity of species. Sertoli cells are somatic cells in the seminiferous epithelium that orchestrate spermatogenesis. Cyclic reorganization of Sertoli cell actin cytoskeleton is vital for spermatogenesis, but the underlying mechanism remains largely unclear. Here, we report that RNA-binding protein PTBP1 controls Sertoli cell actin cytoskeleton reorganization by programming alternative splicing of actin cytoskeleton regulators. This splicing control enables ectoplasmic specializations, the actin-based adhesion junctions, to maintain the blood-testis barrier and support spermatid transport and transformation. Particularly, we show that PTBP1 promotes actin bundle formation by repressing the inclusion of exon 14 of Tnik , a kinase present at the ectoplasmic specialization. Our results thus reveal a novel mechanism wherein Sertoli cell actin cytoskeleton dynamics is controlled post-transcriptionally by utilizing functionally distinct isoforms of actin regulatory proteins, and PTBP1 is a critical regulatory factor in generating such isoforms.

Abstract Myotonic Dystrophy type 1 (DM1) is multi-systemic muscular dystrophy, affecting 1 in 3000 people, characterized by muscle wasting, myotonia, cardiac and gastrointestinal abnormalities and cognitive impairment, among other symptoms. DM1 is caused by a (CTG)n repeat expansion in the 3’ UTR of the ubiquitously expressed gene DMPK. The (CUG)n containing RNAs resulting from the transcription of this diseased DMPK gene aggregate in the nucleus, forming foci which sequester muscleblind-like (MBNL) family proteins, a group of splicing factors that play significant roles in the juvenile-to-adult development of many tissues. Recent studies show that DM1 patients have increased susceptibility toward glucose intolerance, non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), and metabolic syndrome. Furthermore, DM1 patients are abnormally sensitive to a wide range of analgesics and anesthetics, with complications ranging from prolonged anesthesia recovery to heightened pulmonary dysfunction. These findings suggest a predisposition for liver damage and dysfunction in DM1 patients; however, this possibility has gone uninvestigated. To understand the effects of DM1 in the liver, we generated a hepatocyte-specific DM1 mouse model in which we can induce the expression of CUG containing RNA, specifically in the liver. Through these mice, we demonstrate that the expression of the toxic RNA in hepatocytes sequesters MBNL proteins, causing a reduction in mature hepatocellular activity, however, we find that, in contrast to other tissues, loss of MBNL1 activity only reproduces a small portion of the transcriptome changes in DM1 afflicted hepatocytes. We characterized the transcriptomic changes driven by DM1 in the liver and show that these lead to changes in hepatocellular morphology, inflammation, and necrosis, as well as excessive lipid accumulation and fatty liver disease. We further demonstrate that DM1 mice livers are defective in drug metabolism and clearance, and when challenged, exhibit marked impairment against zoxazolamine-induced paralysis and acetaminophen-induced hepatotoxicity. Together, these results reveal that the expression of CUG repeat containing RNA disrupts the normal hepatic functions and predisposes the liver to injury, fatty liver disease, and drug clearance pathologies that may jeopardize the health of DM1 patients and complicate the treatment of DM1.

Abstract Regulation of RNA processing contributes profoundly to tissue development and physiology. Here, we report that serine-arginine-rich splicing factor 1 (SRSF1) is essential for hepatocyte function and survival. Although SRSF1 is mainly known for its many roles in mRNA metabolism, it is also crucial for maintaining genome stability. We show that acute liver damage in the setting of targeted SRSF1 deletion in mice is primarily mediated by the excessive formation of deleterious RNA–DNA hybrids (R-loops), which induce DNA damage. Combining hepatocyte-specific transcriptome, proteome, and RNA binding analyses, we demonstrate that widespread genotoxic stress following SRSF1 depletion results in global inhibition of mRNA transcription and protein synthesis, leading to impaired metabolism and trafficking of lipids. Lipid accumulation in SRSF1-deficient hepatocytes is followed by necroptotic cell death, inflammation, and fibrosis, resulting in NASH-like liver pathology. Importantly, SRSF1-depleted human liver cancer cells recapitulate this pathogenesis illustrating a conserved and fundamental role for SRSF1 in preserving genome integrity and tissue homeostasis. Thus, our study uncovers how accumulation of detrimental R-loops impedes hepatocellular gene expression, triggering metabolic derangements and liver failure.

With the use of single-cell RNA sequencing (scRNA-Seq) technologies, it is now possible to acquire gene expression data for each individual cell in samples containing up to millions of cells. These cells can be further grouped into different states along an inferred cell differentiation path, which are potentially characterized by similar, but distinct enough, gene regulatory networks (GRNs). Hence, it would be desirable for scRNA-Seq GRN inference methods to capture the GRN dynamics across cell states. However, current GRN inference methods produce a unique GRN per input dataset (or independent GRNs per cell state), failing to capture these regulatory dynamics. We propose a novel single-cell GRN inference method, named SimiC, that jointly infers the GRNs corresponding to each state. SimiC models the GRN inference problem as a LASSO optimization problem with an added similarity constraint, on the GRNs associated with contiguous cell states, that captures the inter-cell-state homogeneity. We show on a mouse hepatocyte single-cell data generated after partial hepatectomy that, contrary to previous GRN methods for scRNA-Seq data, SimiC is able to capture the transcription factor (TF) dynamics across liver regeneration, as well as the cell-level behavior for the regulatory program of each TF across cell states. In addition, on a honey bee scRNA-Seq experiment, SimiC is able to capture the increased heterogeneity of cells on whole-brain tissue with respect to a regional analysis tissue, and the TFs associated specifically to each sequenced tissue.

Abstract Properly controlled intestinal epithelial cell regeneration is not only vital for protection against insults from environmental hazards but also crucial for preventing intestinal cancer. Intestinal stem cells located in the crypt region provide the driving force for epithelial regeneration, and thus their survival and death must be precisely regulated. We show here that polypyrimidine tract binding protein 1 (PTBP1, also called heterogeneous nuclear ribonucleoprotein I, or HNRNP I), an RNA-binding protein that post-transcriptionally regulates gene expression, is critical for intestinal stem cell survival and stemness. Mechanistically, we show that PTBP1 inhibits the expression of PHLDA3, an AKT repressor, and thereby maintains AKT activity in the intestinal stem cell compartment to promote stem cell survival and proliferation. Furthermore, we show that PTBP1 inhibits the expression of PTBP2, a paralog of PTBP1 that is known to induce neuron differentiation, through repressing inclusion of alternative exon 10 to Ptbp2 transcript. Loss of PTBP1 results in a significant upregulation of PTBP2, which is accompanied by splicing changes in genes that are important for neuronal cell development. This finding suggests that PTBP1 prevents aberrant differentiation of intestinal stem cells into neuronal cells through inhibiting PTBP2. Our results thus reveal a novel mechanism whereby PTBP1 maintains intestinal stem cell survival and stemness through the control of gene function post-transcriptionally.