A search for substrates of a growth-promoting kinase revealed a regulatory feedback loop involved in tumor suppression.

ABSTRACT Control of cellular identity requires coordination of developmental programs with environmental factors such as nutrient availability, suggesting that modulating aspects of metabolism could alter cell state along differentiation trajectories. Here we find that nucleotide depletion and DNA replication stress are common drivers of cell state progression across a variety of normal and transformed hematopoietic systems. DNA replication stress-induced cell state transitions begin during S phase and are independent of ATR/ATM checkpoint signaling, double-stranded DNA break formation, and changes in cell cycle length. In systems where differentiation is blocked by oncogenic transcription factor expression, replication stress leads to increased activity at primed regulatory loci and expression of lineage-appropriate maturation genes while progenitor TF activity is still present. Altering the baseline cell state by manipulating the cohort of transcription factors expressed redirects the effect of replication stress towards induction of a different set of lineage-specific genes. The ability of replication stress to selectively activate primed maturation programs across different cellular contexts suggests a general mechanism by which metabolism can promote lineage-appropriate and potentially therapeutically relevant cell state transitions.

ABSTRACT Recent advances using single cell genomic approaches have identified new epithelial cell types and uncovered cellular heterogeneity in the murine and human lung (1). Here, using scRNA-seq and microscopy we identify and describe a secretory-like cell that is enriched in the small airways of the developing human lung and identified by the unique co-expression of SCGB3A2/SFTPB/CFTR . To place these cells in the hierarchy of airway development, we apply a single cell barcode-based lineage tracing method track the fate of SCGB3A2/SFTPB/CFTR cells during airway organoid differentiation in vitro (2). Lineage tracing revealed that these cells have distinct developmental potential from basal cells, giving rise predominantly to pulmonary neuroendocrine cells (PNECs) and a subset of multiciliated cells distinguished by high C6 and low MUC16 expression. We conclude that SCGB3A2/SFTPB/CFTR cells act as a progenitor cell contributing to the cellular diversity and heterogeneity in the developing human airway. SIGNIFICANCE STATEMENT The current study identifies a novel secretory cell type that is present predominantly in the small airway of the developing human lung. These secretory cells are defined by co-expression of SCGB3A2/SFTPB/CFTR , and functional studies show that this cell gives rise to pulmonary neuroendocrine cells and a sub-population of multiciliated cells, thereby leading to cellular heterogeneity.

A challenge for screening new candidate drugs to treat cancer is that efficacy in cell culture models is not always predictive of efficacy in patients. One limitation of standard cell culture is a reliance on non-physiological nutrient levels to propagate cells. Which nutrients are available can influence how cancer cells use metabolism to proliferate and impact sensitivity to some drugs, but a general assessment of how physiological nutrients affect cancer cell response to small molecule therapies is lacking. To enable screening of compounds to determine how the nutrient environment impacts drug efficacy, we developed a serum-derived culture medium that supports the proliferation of diverse cancer cell lines and is amenable to high-throughput screening. We used this system to screen several small molecule libraries and found that compounds targeting metabolic enzymes were enriched as having differential efficacy in standard compared to serum-derived medium. We exploited the differences in nutrient levels between each medium to understand why medium conditions affected the response of cells to some compounds, illustrating how this approach can be used to screen potential therapeutics and understand how their efficacy is modified by available nutrients.

Abstract Alveolar type 2 (AT2) cells function as stem cells in the adult lung and aid in repair after injury. The current study aimed to understand the signaling events that control differentiation of this therapeutically relevant cell type during human development. Using lung explant and organoid models, we identified opposing effects of TGFβ- and BMP-signaling, where inhibition of TGFβ- and activation of BMP-signaling in the context of high WNT- and FGF-signaling efficiently differentiated early lung progenitors into AT2-like cells in vitro . AT2-like cells differentiated in this manner exhibit surfactant processing and secretion capabilities, and long-term commitment to a mature AT2 phenotype when expanded in media optimized for primary AT2 culture. Comparing AT2-like cells differentiated with TGFβ-inhibition and BMP-activation to alternative differentiation approaches revealed improved specificity to the AT2 lineage and reduced off-target cell types. These findings reveal opposing roles for TGFβ- and BMP-signaling in AT2 differentiation and provide a new strategy to generate a therapeutically relevant cell type in vitro .

Control of cellular identity requires coordination of developmental programs with environmental factors such as nutrient availability, suggesting that perturbing metabolism can alter cell state. Here, we find that nucleotide depletion and DNA replication stress drive differentiation in human and murine normal and transformed hematopoietic systems, including patient-derived acute myeloid leukemia (AML) xenografts. These cell state transitions begin during S phase and are independent of ATR/ATM checkpoint signaling, double-stranded DNA break formation, and changes in cell cycle length. In systems where differentiation is blocked by oncogenic transcription factor expression, replication stress activates primed regulatory loci and induces lineage-appropriate maturation genes despite the persistence of progenitor programs. Altering the baseline cell state by manipulating transcription factor expression causes replication stress to induce genes specific for alternative lineages. The ability of replication stress to selectively activate primed maturation programs across different contexts suggests a general mechanism by which changes in metabolism can promote lineage-appropriate cell state transitions.