Our understanding of kidney disease pathogenesis is limited by an incomplete molecular characterization of the cell types responsible for the organ's multiple homeostatic functions. To help fill this knowledge gap, we characterized 57,979 cells from healthy mouse kidneys by using unbiased single-cell RNA sequencing. On the basis of gene expression patterns, we infer that inherited kidney diseases that arise from distinct genetic mutations but share the same phenotypic manifestation originate from the same differentiated cell type. We also found that the collecting duct in kidneys of adult mice generates a spectrum of cell types through a newly identified transitional cell. Computational cell trajectory analysis and in vivo lineage tracing revealed that intercalated cells and principal cells undergo transitions mediated by the Notch signaling pathway. In mouse and human kidney disease, these transitions were shifted toward a principal cell fate and were associated with metabolic acidosis.

Fibrosis is the final common pathway leading to end-stage renal failure. By analyzing the kidneys of patients and animal models with fibrosis, we observed a significant mitochondrial defect, including the loss of the mitochondrial transcription factor A (TFAM) in kidney tubule cells. Here, we generated mice with tubule-specific deletion of TFAM (Ksp-Cre/Tfamflox/flox). While these mice developed severe mitochondrial loss and energetic deficit by 6 weeks of age, kidney fibrosis, immune cell infiltration, and progressive azotemia causing death were only observed around 12 weeks of age. In renal cells of TFAM KO (knockout) mice, aberrant packaging of the mitochondrial DNA (mtDNA) resulted in its cytosolic translocation, activation of the cytosolic cGAS-stimulator of interferon genes (STING) DNA sensing pathway, and thus cytokine expression and immune cell recruitment. Ablation of STING ameliorated kidney fibrosis in mouse models of chronic kidney disease, demonstrating how TFAM sequesters mtDNA to limit the inflammation leading to fibrosis.

Abstract Stem cells exist in precise locations within tissues, yet how their organization supports tissue architecture and function is poorly understood. The limbus is the presumptive stem cell niche of the corneal epithelium. Here, we visualize the live limbus and track the activity of single stem cells in their native environment by 2-photon microscopy. We identify previously unknown niche compartments and show that long implicated slow-cycling cells form separate lineages in the outer limbus, with only local clonal dynamics. Instead, we find distinct stem cells in the pericorneal limbus to be required for corneal regeneration. Unbiased photolabeling captures their progeny exiting the niche, then moving centripetally in unison before undergoing terminal differentiation. This study demonstrates how a compartmentalized stem cell organization coordinates tissue regeneration. One Sentence Summary In vivo live imaging of the regenerating cornea reveals distinct stem cell activities in the limbal niche

Abstract Kidney disease development is poorly understood due to the complex cellular interactions of more than 25 different cell types, each with specialized functions. Here, we used single cell RNA-sequencing to resolve cell type-specific and cell fraction changes in kidney disease. Whole kidney RNA-sequencing results were strongly influenced by cell fraction changes, but minimally informative to detect cell type-specific gene expression changes. Cell type-specific differential expression analysis identified proximal tubule cells (PT cells) as the key vulnerable cell type in diseased kidneys. Through unbiased cell trajectory analyses, we show that PT cell differentiation state is altered in disease state. Lipid metabolism (fatty acid oxidation and oxidative phosphorylation) in PT cells showed the strongest and reproducible association with PT cells state. The coupling of cell state and metabolism is established by nuclear receptors such as PPARA and ESRRA that not only control cellular metabolism but also the expression of PT cell-specific genes in mice and patient samples.

While Notch signaling has been proposed to play a key role in fibrosis, the direct molecular pathways targeted by Notch signaling and the precise ligand and receptor pair that are responsible for kidney disease remain poorly defined. In this study, we found that JAG1 and NOTCH2 showed the strongest correlation with the degree of interstitial fibrosis in a genome wide expression analysis of a large cohort of human kidney samples. RNA sequencing analysis of kidneys of mice with folic acid nephropathy, unilateral ureteral obstruction, or APOL1-associated kidney disease indicated that Jag1 and Notch2 levels were higher in all analyzed kidney fibrosis models. Mice with tubule-specific deletion of Jag1 or Notch2 (Kspcre/Jag1flox/flox, and Kspcre/Notch2flox/flox) had no kidney-specific alterations at baseline, but showed protection from folic acid induced kidney fibrosis. Tubule-specific genetic deletion of Notch1 and global knock-out of Notch3 had no effect on fibrosis. In vitro chromatin immunoprecipitation experiments and genome-wide expression studies identified the mitochondrial transcription factor A (Tfam) as a direct Notch target. Re-expression of Tfam in tubule cells prevented Notch-induced metabolic and profibrotic reprogramming. Kidney tubule specific deletion of Tfam resulted in perinatal lethality. In summary, Jag1/Notch2 plays a key role in kidney fibrosis development by regulating Tfam expression and metabolic reprogramming.

A key limitations to understand kidney function and disease development has been that specific cell types responsible for specific homeostatic kidney function or disease phenotypes have not been defined at the molecular level. To fill this gap, we characterized 57,979 cells from healthy mouse kidneys using unbiased single-cell RNA sequencing. We show that genetic mutations that present with similar phenotypes mostly affect genes that are expressed in a single unique differentiated cell type. On the other hand, we found unexpected cell plasticity of epithelial cells in the final segment of the kidney (collecting duct) that is responsible for final composition of the urine. Using computational cell trajectory analysis and in vivo linage tracing, we found that, intercalated cells (that secrete protons) and principal cells (that maintain salt, water and potassium balance) undergo a Notch mediated interconversion via a newly identified transitional cell type. In disease states this transition is shifted towards the principal cell fate. Loss of intercalated cells likely contributes to metabolic acidosis observed in kidney disease. In summary, single cell analysis advanced a mechanistic description of kidney diseases by identifying a defective homeostatic cell lineage.