Though an acute kidney injury (AKI) episode is associated with an increased risk of chronic kidney disease (CKD), the mechanisms determining the transition from acute to irreversible chronic injury are not well understood. To extend our understanding of renal repair, and its limits, we performed a detailed molecular characterization of a murine ischemia/reperfusion injury (IRI) model for 12 months after injury. Together, the data comprising RNA-sequencing (RNA-seq) analysis at multiple time points, histological studies, and molecular and cellular characterization of targeted gene activity provide a comprehensive profile of injury, repair, and long-term maladaptive responses following IRI. Tubular atrophy, interstitial fibrosis, inflammation, and development of multiple renal cysts were major long-term outcomes of IRI. Progressive proximal tubular injury tracks with de novo activation of multiple Krt genes, including Krt20, a biomarker of renal tubule injury. RNA-seq analysis highlights a cascade of temporal-specific gene expression patterns related to tubular injury/repair, fibrosis, and innate and adaptive immunity. Intersection of these data with human kidney transplant expression profiles identified overlapping gene expression signatures correlating with different stages of the murine IRI response. The comprehensive characterization of incomplete recovery after ischemic AKI provides a valuable resource for determining the underlying pathophysiology of human CKD.

Summary Congenital abnormalities of the kidney and urinary tract are amongst the most common birth defects affecting 3% of newborns. The human kidney develops over a 30-week period in which a nephron progenitor pool gives rise to around a million nephrons. To establish a framework for human nephrogenesis, we spatially resolved a stereotypical process by which equipotent nephron progenitors generate a nephron anlagen, then applied data-driven approaches to construct three-dimensional protein maps on anatomical models of the nephrogenic program. Single cell RNA sequencing identified novel progenitor states which were spatially mapped to the nephron anatomy enabling the generation of functional gene-networks predicting interactions within and between nephron cell-types. Network mining identified known developmental disease genes and predicts new targets of interest. The spatially resolved nephrogenic program made available through the Human Nephrogenesis Atlas ( https://sckidney.flatironinstitute.org/ ) will facilitate an understanding of kidney development and disease, and enhance efforts to generate new kidney structures.

Nephron progenitor cells (NPCs) self-renew and differentiate into nephrons, the functional units of the kidney. Here we report manipulation of p38 and YAP activity creates a synthetic niche that allows the long-term clonal expansion of primary mouse and human NPCs, and induced NPCs (iNPCs) from human pluripotent stem cells. Cultured iNPCs resemble closely primary human NPCs, generating nephron organoids with abundant distal convoluted tubule cells, which are not observed in published kidney organoids. The synthetic niche reprograms differentiated nephron cells into NPC state, recapitulating the plasticity of developing nephron in vivo. Scalability and ease of genome-editing in the cultured NPCs allow for genome-wide CRISPR screening, identifying novel genes associated with kidney development and disease. A rapid, efficient, and scalable organoid model for polycystic kidney disease was derived directly from genome-edited NPCs, and validated in drug screen. These technological platforms have broad applications to kidney development, disease, plasticity, and regeneration.

The mammalian kidney maintains fluid homeostasis through diverse epithelial cell types generated from nephron and ureteric progenitor cells. To extend a developmental understanding of the kidney's epithelial networks, we compared chromatin organization (single-nuclear assay for transposase-accessible chromatin sequencing [ATAC-seq]; 112,864 nuclei) and gene expression (single-cell/nuclear RNA sequencing [RNA-seq]; 109,477 cells/nuclei) in the developing human (10.6-17.6 weeks; n = 10) and mouse (post-natal day [P]0; n = 10) kidney, supplementing analysis with published mouse datasets from earlier stages. Single-cell/nuclear datasets were analyzed at a species level, and then nephron and ureteric cellular lineages were extracted and integrated into a common, cross-species, multimodal dataset. Comparative computational analyses identified conserved and divergent features of chromatin organization and linked gene activity, identifying species-specific and cell-type-specific regulatory programs. In situ validation of human-enriched gene activity points to human-specific signaling interactions in kidney development. Further, human-specific enhancer regions were linked to kidney diseases through genome-wide association studies (GWASs), highlighting the potential for clinical insight from developmental modeling.

Abstract Kidney organoids model development and diseases of the nephron but not the contiguous epithelial network of the kidney’s collecting duct (CD) system. Here, we report the generation of an expandable, 3D branching ureteric bud (UB) organoid culture model that can be derived from primary UB progenitors from mouse and human fetal kidneys, or generated de novo from pluripotent human stem cells. UB organoids differentiate into CD organoids in vitro , with differentiated cell types adopting spatial assemblies reflective of the adult kidney collecting system. Aggregating 3D-cultured nephron progenitor cells with UB organoids in vitro results in a reiterative process of branching morphogenesis and nephron induction, similar to kidney development. Combining efficient gene editing with the UB organoid model will facilitate an enhanced understanding of development, regeneration and diseases of the mammalian collecting system. One sentence summary Collecting duct organoids derived from primary mouse and human ureteric bud progenitor cells and human pluripotent stem cells provide an in vitro platform for genetic dissection of development, regeneration and diseases of the mammalian collecting system.

Mammalian kidneys maintain fluid homeostasis through the cellular activity of nephrons and the conjoined collecting system. Each epithelial network originates from distinct progenitor cell populations that reciprocally interact during development. To extend our understanding of human and mouse kidney development, we profiled chromatin organization (ATAC-seq) and gene expression (RNA-seq) in developing human and mouse kidneys. Data were analyzed at a species level and then integrated into a common, cross-species multimodal data set. Comparative analysis of cell types and developmental trajectories identified conserved and divergent features of chromatin organization and linked gene activity, revealing species- and cell-type specific regulatory programs. Identification of human-specific enhancer regions linked through GWAS studies to kidney disease highlights the potential of developmental modeling to provide clinical insight.