The transition zones (TZ) between squamous and columnar epithelium constitute hotspots for the emergence of cancers. Carcinogenesis at these sites is often preceded by the development of metaplasia, where one epithelial type invades the neighboring one. It remains unclear how these niches are restrained at the boundary between the two epithelial types and what factors contribute to metaplasia. Here we show that the cervical squamo-columnar junction derives from two distinct stem cell lineages that meet at the TZ. In contrast to the prevailing notion, our analysis of cervical tissue showed that the TZ is devoid of any locally restricted, specialized stem cell population, which has been implicated as precursor of both cervical squamous cell carcinoma and adenocarcinoma. Instead, we reveal that these cancers originate from two separate stem cell lineages. We show that the switch in the underlying Wnt signaling milieu of the stroma is a key determinant of proliferation or quiescence of epithelial stem cell lineages at the TZ. Strikingly, while the columnar lineage of the endocervix is driven by Wnt signaling, the maintenance of squamous stratified epithelium of the ectocervix and emergence of squamous metaplasia requires inhibition of Wnt signaling via expression of Dickkopf2 (Dkk2) in the underlying stroma. Moreover, Notch signaling is required for squamous cell stratification. Thus, our results indicate that homeostasis at the TZ is not maintained by a transition from one epithelial type to another but rather results from alternative signals from the stromal compartment driving the differential proliferation of the respective cell lineages at the squamo-columnar junction.

Abstract Cervical mucosa is continually confronted by coinfections with pathogenic microbes. In addition to human papillomavirus, coinfections with Chlamydia trachomatis have been associated with an increased risk of cervical cancer. However, the dynamics of coinfections, their impact on the epithelia, and their contribution to pathogenesis remain obscure. Using a novel human ectocervical squamous stratified epithelial organoids, we recapitulated the natural infections of the cervix by Chlamydia, HPV, and their coinfections. Towards this, we genetically manipulated the healthy organoids to mimic in vivo HPV persistence by introducing E6E7 oncogenes into the host genome. HPV persistent organoids show enhanced tissue regeneration, increased proliferation and differentiation of stem cells, and nuclear atypia resembling cervical intraepithelial neoplasia grade 1. We found that HPV interferes with normal Chlamydia development. Further, a unique transcriptional host response induced by Chlamydia and HPV leads to distinct reprogramming of host cell processes. Strikingly, in coinfections, Chlamydia impedes HPV-induced mechanisms that maintain cellular and genome integrity, including mismatch repair (MMR). Distinct post-translational proteasomal-degradation and E2F-mediated transcriptional regulation delineate the inverse regulation of MMR during coinfections. Our study employing organoids demonstrates the jeopardy of multiple sequential infection processes and the unique cellular microenvironment they create, accelerating neoplastic progression.

Abstract The gastroesophageal junction (GEJ), where squamous and columnar epithelia meet, is a hotspot for Barrett’s metaplasia development, dysbiosis and carcinogenesis. However, the mechanisms regulating GEJ homeostasis remain unclear. Here, by employing organoids, bulk and single-cell transcriptomics, single-molecule RNA in situ hybridisations and lineage tracing, we identified the spatial organisation of the epithelial, stromal compartment and the regulators that maintain the normal GEJ homeostasis. During development, common KRT8 progenitors generate committed unilineage p63/KRT5-squamous and KRT8-columnar stem cells responsible for the regeneration of postnatal esophagus and gastric epithelium that meet at GEJ. A unique spatial distribution of Wnt regulators in the underlying stromal compartment of these stem cells creates diverging Wnt microenvironments at GEJ and supports their differential regeneration. Further, we show that these tissue-resident stem cells do not possess the plasticity to transdifferentiate to the other lineage with the altered Wnt signals. Our study provides invaluable insights into the fundamental process of GEJ homeostasis and is crucial for understanding disease development.

Abstract Motivation High content screening (HCS) experiments generate complex data from multiple object features for each cell within a treated population. Usually these data are analyzed by using population-averaged values of the features of interest, increasing the amount of false positives and the need for intensive follow-up validation. Therefore, there is a strong need for novel approaches with reproducible hit prediction by identifying significantly altered cell populations. Results Here we describe SOPRA, a workflow for analyzing image-based HCS data based on regression analysis of non-averaged object features from cell populations, which can be run on hundreds of samples using different cell features. Following plate-wise normalization the values are counted within predetermined binning intervals, generating unique frequency distribution profiles (histograms) for each population, which are then normalized to control populations. Statistically significant differences are identified using a regression model approach. Significantly changed profiles can be used to generate a heatmap from which altered cell populations with similar phenotypes are identified, enabling detection of siRNAs and compounds with the same ‘on-target’ profile, reducing the number of false positive hits. A screen for cell cycle progression was used to validate the workflow, which identified statistically significant changes induced by siRNA-mediated gene perturbations and chemical inhibitors of different cell cycle stages.