Abstract Blood monocytes are well-characterized precursors for macrophages and dendritic cells. Subsets of human monocytes with differential representation in various disease states are well known. In contrast, mouse monocyte subsets have been characterized minimally. In this study we identify three subpopulations of mouse monocytes that can be distinguished by differential expression of Ly-6C, CD43, CD11c, MBR, and CD62L. The subsets share the characteristics of extensive phagocytosis, similar expression of M-CSF receptor (CD115), and development into macrophages upon M-CSF stimulation. By eliminating blood monocytes with dichloromethylene-bisphosphonate-loaded liposomes and monitoring their repopulation, we showed a developmental relationship between the subsets. Monocytes were maximally depleted 18 h after liposome application and subsequently reappeared in the circulation. These cells were exclusively of the Ly-6Chigh subset, resembling bone marrow monocytes. Serial flow cytometric analyses of newly released Ly-6Chigh monocytes showed that Ly-6C expression on these cells was down-regulated while in circulation. Under inflammatory conditions elicited either by acute infection with Listeria monocytogenes or chronic infection with Leishmania major, there was a significant increase in immature Ly-6Chigh monocytes, resembling the inflammatory left shift of granulocytes. In addition, acute peritoneal inflammation recruited preferentially Ly-6Cmed-high monocytes. Taken together, these data identify distinct subpopulations of mouse blood monocytes that differ in maturation stage and capacity to become recruited to inflammatory sites.

Abstract In vitro culture systems that structurally model human myogenesis and promote PAX7 + myogenic progenitor maturation have not been established. Here we report that human skeletal muscle organoids can be differentiated from induced pluripotent stem cell lines to contain paraxial mesoderm and neuromesodermal progenitors and develop into organized structures reassembling neural plate border and dermomyotome. Culture conditions instigate neural lineage arrest and promote fetal hypaxial myogenesis towards limb axial anatomical identity, with generation of sustainable uncommitted PAX7 myogenic progenitors and fibroadipogenic (PDGFRa+) progenitor populations equivalent to those from the second trimester of human gestation. Single cell comparison to human fetal and adult myogenic progenitors reveals distinct molecular signatures for non-dividing myogenic progenitors in activated (CD44 High /CD98 + /MYOD1 + ) and dormant (PAX7 High /FBN1 High /SPRY1 High ) states. Our approach provides a robust 3D in vitro developmental system for investigating muscle tissue morphogenesis and homeostasis.

Collective migration of cells is a key behaviour observed during morphogenesis, wound healing and cancer cell invasion. Hence, understanding the different aspects of collective migration is at the core of further progress in describing and treating cancer and other pathological defects. The standard dogma in cell migration is that cells exert forces on the environment to move and cell-cell adhesion-based forces provide the coordination for collective migration. Here, we report a new collective migration mechanism that is independent of pulling forces on the extra-cellular matrix (ECM), as it is driven by the pressure difference generated inside model tumours. We observe a striking collective migration phenotype, where a rapid burst-like stream of HeLa cervical cancer cells emerges from the 3D aggregate embedded in matrices with low collagen concentration (0.5 mg ml − 1 ). This invasion-like behaviour is recorded within 8 hours post embedding (hpe), and is characterised by high cell velocity and super-diffusive collective motion. We show that cellular swelling, triggered by the soft matrix, leads to a rise in intrinsic pressure, which eventually drives an invasion-like phenotype of HeLa cancer aggregates. These dynamic observations provide new evidence that pressure-driven effects need to be considered for a complete description of the mechanical forces involved in collective migration and invasion.

Abstract Local signals provided by cells in specialized niche microenvironments regulate stem cell behaviour in many different organs and species. In adult mammalian bone marrow (BM), leptin receptor-positive (LepR+) reticular cells express secreted factors that control the function of haematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). During fetal development, the developing skeletal system is colonized by c-Kit+ haematopoietic cells de novo after a transient phase of liver haematopoiesis. The cellular and molecular mechanisms regulating de novo haematopoietic cell colonization and expansion remain largely unknown. Here, we report that fetal and adult BM exhibit fundamental differences both in terms of cellular composition and molecular interactions by single cell RNA sequencing (scRNA-seq) analysis. While LepR+ reticular cells are almost completely absent in fetal femur, arterial endothelial cells (AECs) are a source of signals controlling the initial HSPC expansion during BM development. Long-term haematopoietic stem cells (HSCs) and other c-Kit+ HSPCs are reduced when Wnt ligand secretion by AECs is genetically blocked. We identify Wnt2 as an AEC-derived signal that directly activates β-catenin dependent proliferation of fetal HSPCs. Treatment of HSPCs ex vivo with Wnt2 promotes their proliferation and improves engraftment in vivo after transplantation. Our work reveals a fundamental switch in the cellular organization and molecular regulation of BM niches in the embryonic and adult organism.

Summary Spatiotemporal recapitulation of long-range trajectories for lineages that influence body patterning along the medio-lateral and proximal-distal axes during embryogenesis in an in vitro system remains elusive. Here we introduce a three-dimensional organoid approach, termed Gastruloids-Lateraloid-Musculoids (GLMs), to model human neural crest, lateral plate mesoderm and skeletal muscle lineage development at the forelimb level following gastrulation and during limb patterning. GLMs harvest neuro-mesodermal progenitors with the potential to establish neural and paraxial mesodermal populations, while single cell analyses and spatial transcriptomics demonstrate promotion of mesodermal lineage segregation during gastrulation and spatial recapitulation of migration events along the medio-lateral axis for vagal neural crest, hypaxial myogenesis and lateral plate mesodermal lineages. Comparative analyses to developmental atlases and adult muscle stem cell data confirm a pool of hypaxial migrating myogenic progenitors that in a niche dependent manner change their embryonic anatomical developmental program to a fetal myogenic program, thus enabling them to resist specification in a cell autonomous manner and facilitate long term in vitro expansion. GLMs model human myogenesis at the forelimb level, establish fetal muscle stem cells equivalent to those that sustain the growth phase of the embryo and provide a 3D in vitro system for investigating neural crest, early fore-gut and lateral plate mesoderm development.

Two types of osteoblasts are required to assemble the zebrafish embryonic skeleton: classical osteoblasts homologous to the mammalian cell, and notochord sheath cells, which serve as non-classical osteoblasts. The gene entpd5a is critically required for ossification via both types of osteoblasts. Despite the indispensability of zebrafish models in vertebrate research, the genetic regulation of bone formation, as well as mechanisms of transcriptional control of entpd5a , remain largely unknown. Here, using a newly generated transgenic line, we isolate classical and non-classical osteoblasts from zebrafish embryos and performed both ATAC-seq and RNA-seq. We analysed results independently and integratively to understand those chromatin dynamics and accompanying transcriptomic changes that occur in different skeletal cell types. We show that although Dlx family factors are playing important roles in classical osteoblast regulation, Hox family factors are involved in governing spinal ossification via non-classical osteoblasts. We further present a resource-driven analysis of the entpd5a promoter, experimentally validating the ATAC-seq dataset and proposing mechanisms of regulating the complex entpd5a expression pattern during zebrafish osteogenesis. Our results thus provide a necessary comprehensive resource for the field of bone development and indicate spatio-temporally regulated promoter/enhancer interactions taking place in the entpd5a locus.

Sperm production and function require the correct establishment of DNA methylation patterns in the germline. Here, we examined the genome-wide DNA methylation changes during human spermatogenesis and its alterations in disturbed spermatogenesis. We found that spermatogenesis is associated with remodeling of the methylome, comprising a global-decline in DNA methylation in primary spermatocytes followed by selective remethylation, resulting in a spermatid-specific methylome. Hypomethylated regions in spermatids were enriched in specific transcription factor binding sites for DMRT and SOX family members and spermatid-specific genes. Intriguingly, while SINEs displayed differential methylation throughout spermatogenesis, LINEs appeared to be protected from changes in DNA methylation. In disturbed spermatogenesis, germ cells exhibited considerable DNA methylation changes, which were significantly enriched at transposable elements and genes involved in spermatogenesis. We detected hypomethylation in SVA and L1HS in disturbed spermatogenesis, suggesting an association between the abnormal programming of these regions and failure of germ cells progressing beyond meiosis.

Embryonic diapause is a reproductive adaptation that enables some mammalian species to halt the otherwise continuous pace of embryonic development. In this dormant state, the embryo exploits poorly understood regulatory mechanisms to preserve its developmental potential for prolonged periods of time. Here, using mouse embryos and single-cell RNA sequencing, we molecularly defined embryonic diapause at single-cell resolution, revealing transcriptional dynamics while the embryo seemingly resides in a state of suspended animation. Additionally, we found that the dormant pluripotent cells rely on integrin receptors to sense their microenvironment and preserve their viability via Yap/Taz-mediated prosurvival signaling.

Abstract Lymphatic vessels (LVs) are indispensable for tissue fluid homeostasis and immune cell trafficking. The network of LVs that channel fluids from the gut into mesenteric lymph nodes (MLN) has been recognized as the sole lymphatic system in the mesentery. Here we describe an alternative, functionally autonomous set of capillary mesenteric LVs (capMLVs) that by-pass the MLNs and drain directly into mediastinal LNs. CapMLVs develop perinatally from valves of collective mesenteric lymphatic vessels (colMLVs) in response to arterial endothelial cell-derived VEGF-C. Once extended, capMLVs detach from colMLVs to form an independent elongated network comprised of LYVE1+, CCL21+ endothelial cells. Avascular areas of the mesentery juxtaposed to capMLVs contain cell islets that express ACKR4. This CCL21-scavenging atypical receptor facilitates the migration of mesenteric phagocytes into capMLVs to be channeled directly into mediastinal LNs. This allows peritoneum-derived ominous antigens to be processed separately from alimentary antigens.