Nephrons, the basic functional units of the kidney, are generated repetitively during kidney organogenesis from a mesenchymal progenitor population. Which cells within this pool give rise to nephrons and how multiple nephron lineages form during this protracted developmental process are unclear. We demonstrate that the Six2-expressing cap mesenchyme represents a multipotent nephron progenitor population. Six2-expressing cells give rise to all cell types of the main body of the nephron during all stages of nephrogenesis. Pulse labeling of Six2-expressing nephron progenitors at the onset of kidney development suggests that the Six2-expressing population is maintained by self-renewal. Clonal analysis indicates that at least some Six2-expressing cells are multipotent, contributing to multiple domains of the nephron. Furthermore, Six2 functions cell autonomously to maintain a progenitor cell status, as cap mesenchyme cells lacking Six2 activity contribute to ectopic nephron tubules, a mechanism dependent on a Wnt9b inductive signal. Taken together, our observations suggest that Six2 activity cell-autonomously regulates a multipotent nephron progenitor population.

The vertebrate urogenital system forms due to inductive interactions between the Wolffian duct, its derivative the ureteric bud, and their adjacent mesenchymes. These establish epithelial primordia within the mesonephric (embryonic) and metanephric (adult) kidneys and the Müllerian duct, the anlage of much of the female reproductive tract. We show that Wnt9b is expressed in the inductive epithelia and is essential for the development of mesonephric and metanephric tubules and caudal extension of the Müllerian duct. Wnt9b is required for the earliest inductive response in metanephric mesenchyme. Further, Wnt9b-expressing cells can functionally substitute for the ureteric bud in these interactions. Wnt9b acts upstream of another Wnt, Wnt4, in this process, and our data implicate canonical Wnt signaling as one of the major pathways in the organization of the mammalian urogenital system. Together these findings suggest that Wnt9b is a common organizing signal regulating diverse components of the mammalian urogenital system.

Every organ depends on blood vessels for oxygen and nutrients, but the vasculature associated with individual organs can be structurally and molecularly diverse. The central nervous system (CNS) vasculature consists of a tightly sealed endothelium that forms the blood-brain barrier, whereas blood vessels of other organs are more porous. Wnt7a and Wnt7b encode two Wnt ligands produced by the neuroepithelium of the developing CNS coincident with vascular invasion. Using genetic mouse models, we found that these ligands directly target the vascular endothelium and that the CNS uses the canonical Wnt signaling pathway to promote formation and CNS-specific differentiation of the organ's vasculature.

Signaling by the ureteric bud epithelium is essential for survival,proliferation and differentiation of the metanephric mesenchyme during kidney development. Most studies that have addressed ureteric signaling have focused on the proximal, branching, ureteric epithelium. We demonstrate that sonic hedgehog is expressed in the ureteric epithelium of the distal, non-branching medullary collecting ducts and continues into the epithelium of the ureter— the urinary outflow tract that connects the kidney with the bladder. Upregulation of patched 1, the sonic hedgehog receptor and a downstream target gene of the signaling pathway in the mesenchyme surrounding the distal collecting ducts and the ureter suggests that sonic hedgehog acts as a paracrine signal. In vivo and in vitro analyses demonstrate that sonic hedgehog promotes mesenchymal cell proliferation, regulates the timing of differentiation of smooth muscle progenitor cells, and sets the pattern of mesenchymal differentiation through its dose-dependent inhibition of smooth muscle formation. In addition, we also show that bone morphogenetic protein 4 is a downstream target gene of sonic hedgehog signaling in kidney stroma and ureteral mesenchyme, but does not mediate the effects of sonic hedgehog in the control of mesenchymal proliferation.

Macrophages have a critical role in inflammatory and immune responses through their ability to recognize and engulf apoptotic cells1. Here we show that macrophages initiate a cell-death programme in target cells by activating the canonical WNT pathway. We show in mice that macrophage WNT7b is a short-range paracrine signal required for WNT-pathway responses and programmed cell death in the vascular endothelial cells of the temporary hyaloid vessels of the developing eye. These findings indicate that macrophages can use WNT ligands to influence cell-fate decisions—including cell death—in adjacent cells, and raise the possibility that they do so in many different cellular contexts.

Macrophages are required for tissue homeostasis through their role in regulation of the immune response and the resolution of injury. Here we show, using the kidney as a model, that the Wnt pathway ligand Wnt7b is produced by macrophages to stimulate repair and regeneration. When macrophages are inducibly ablated from the injured kidney, the canonical Wnt pathway response in kidney epithelial cells is reduced. Furthermore, when Wnt7b is somatically deleted in macrophages, repair of injury is greatly diminished. Finally, injection of the Wnt pathway regulator Dkk2 enhances the repair process and suggests a therapeutic option. Because Wnt7b is known to stimulate epithelial responses during kidney development, these findings suggest that macrophages are able to rapidly invade an injured tissue and reestablish a developmental program that is beneficial for repair and regeneration.

Intercellular signaling molecules and their receptors, whose expression must be tightly regulated in time and space, coordinate organogenesis. Regulators of intracellular signaling pathways provide an additional level of control. Here we report that loss of the receptor tyrosine kinase (RTK) antagonist, Sprouty1 (Spry1), causes defects in kidney development in mice. Spry1(-/-) embryos have supernumerary ureteric buds, resulting in the development of multiple ureters and multiplex kidneys. These defects are due to increased sensitivity of the Wolffian duct to GDNF/RET signaling, and reducing Gdnf gene dosage correspondingly rescues the Spry1 null phenotype. We conclude that the function of Spry1 is to modulate GDNF/RET signaling in the Wolffian duct, ensuring that kidney induction is restricted to a single site. These results demonstrate the importance of negative feedback regulation of RTK signaling during kidney induction and suggest that failures in feedback control may underlie some human congenital kidney malformations.

Kidney organogenesis requires the morphogenesis of epithelial tubules. Inductive interactions between the branching ureteric buds and the metanephric mesenchyme lead to mesenchyme-to-epithelium transitions and tubular morphogenesis to form nephrons, the functional units of the kidney. The LIM-class homeobox gene Lim1 is expressed in the intermediate mesoderm, nephric duct, mesonephric tubules, ureteric bud, pretubular aggregates and their derivatives. Lim1-null mice lack kidneys because of a failure of nephric duct formation, precluding studies of the role of Lim1 at later stages of kidney development. Here, we show that Lim1 functions in distinct tissue compartments of the developing metanephros for both proper development of the ureteric buds and the patterning of renal vesicles for nephron formation. These observations suggest that Lim1 has essential roles in multiple steps of epithelial tubular morphogenesis during kidney organogenesis. We also demonstrate that the nephric duct is essential for the elongation and maintenance of the adjacent Müllerian duct, the anlage of the female reproductive tract.

Thomas Carroll and colleagues show that attenuation of Wnt9b signaling during kidney morphogenesis affects planar cell polarity and causes an increase in tubule diameter. Their analyses suggest that tubule diameter is established by convergent extension movements and subsequently maintained by polarized cell divisions. Although many vertebrate organs, such as kidneys, lungs and liver, are composed of epithelial tubules, little is known of the mechanisms that establish the length or diameter of these tubules. In the kidney, defects in the establishment or maintenance of tubule diameter are associated with one of the most common inherited human disorders, polycystic kidney disease. Here we show that attenuation of Wnt9b signaling during kidney morphogenesis affects the planar cell polarity of the epithelium and leads to tubules with significantly increased diameter. Although previous studies showed that polarized cell divisions maintain the diameter of postnatal kidney tubules, we find that cell divisions are randomly oriented during embryonic development. Our data suggest that diameter is established during early morphogenetic stages by convergent extension processes and maintained by polarized cell divisions. Wnt9b, signaling through the non-canonical Rho/Jnk branch of the Wnt pathway, is necessary for both of these processes.

Abstract Vascularization plays a critical role in organ maturation and cell type development. Drug discovery, organ mimicry, and ultimately transplantation in a clinical setting thereby hinges on achieving robust vascularization of in vitro engineered organs. Here, focusing on human kidney organoids, we overcome this hurdle by combining an inducible ETS translocation variant 2 ( ETV2 ) human induced pluripotent stem cell (iPSC) line, which directs endothelial fate, with a non-transgenic iPSC line in suspension organoid culture. The resulting human kidney organoids show extensive vascularization by endothelial cells with an identity most closely related to endogenous kidney endothelia. Vascularized organoids also show increased maturation of nephron structures including more mature podocytes with improved marker expression, foot process interdigitation, an associated fenestrated endothelium, and the presence of renin + cells. The creation of an engineered vascular niche capable of improving kidney organoid maturation and cell type complexity is a significant step forward in the path to clinical translation. Furthermore, this approach is orthogonal to native tissue differentiation paths, hence readily adaptable to other organoid systems and thus has the potential for a broad impact on basic and translational organoid studies. Translational Statement Developing therapies for patients with kidney diseases relies on a morphologically and physiologically representative in vitro model. Human kidney organoids are an attractive model to recapitulate kidney physiology, however, they are limited by the absence of a vascular network and mature cell populations. In this work, we have generated a genetically inducible endothelial niche that, when combined with an established kidney organoid protocol, induces the maturation of a robust endothelial cell network, induces a more mature podocyte population, and induces the emergence a functional renin population. This advance significantly increases the clinical relevance of human kidney organoids for etiological studies of kidney disease and future regenerative medicine strategies. Graphical Abstract Genetically engineered endothelial niche induces mature cell populations in human kidney organoids