SUMMARY After implantation, the mouse embryo undergoes gastrulation and forms mesoderm and endoderm. Mesoderm participates in embryonic and extra-embryonic tissues including the amnion, yolk sac, chorion and allantois, the umbilical cord precursor. Extra-embryonic mesoderm is rich in intermediate filaments. Two-photon live imaging of keratin 8-eYFP knock-in embryos allowed recording nucleation and elongation of keratin filaments, which formed apical cables coordinated across multiple cells in amnion, allantois, and blood islands. Embryos lacking all keratins displayed a deflated exocoelomic cavity, a narrow thick amnion, and a short allantois, indicating a hitherto unknown role for keratin filaments in post-implantation extra-embryonic membranes morphogenesis. Single-cell RNA sequencing of mesoderm cells, microdissected amnion, chorion, and allantois provided an interactive atlas of transcriptomes with germ layer and regional information. Keratin 8 high mesenchymal cells in contact with the exocoelom shared a cytoskeleton and adhesion expression profile that might explain the adaptation of extra-embryonic structures to the increasing mechanical pressure. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Regeneration-competent species possess the ability to reverse the progression of severe diseases by restoring the function of the damaged tissue. However, the cellular dynamics underlying this capability remain unexplored. Here, we use single-cell transcriptomics to map de novo β-cell regeneration during induction and recovery from diabetes in zebrafish. We show that the zebrafish has evolved two distinct types of somatostatin-producing δ-cells, which we term δ1- and δ2-cells. Moreover, we characterize a small population of glucose-responsive islet cells, which share the hormones and fate-determinants of both β- and δ1-cells. The transcriptomic analysis of β-cell regeneration reveals that β/δ hybrid cells constitute a prominent source of insulin-expression during diabetes recovery. Using in vivo calcium imaging and cell tracking, we further show that the hybrid cells form de novo and acquire glucose-responsiveness in the course of regeneration. The overexpression of dkk3 , a gene enriched in hybrid cells, increases their formation in the absence of β-cell injury. Finally, interspecies comparison shows that plastic δ1-cells are partially related to PP-cells in the human pancreas. Our work provides an atlas of β-cell regeneration and indicates that the rapid formation of glucose-responsive hybrid cells contributes to the resolution of diabetes in zebrafish

Summary Patterning of endoderm into lung and thyroid lineages depends upon a correct early expression of a homeobox domain-containing transcription factor, Nkx2-1. However, the gene networks distinguishing the differentiation of those lineages remain largely unknown. In the present work, by using mouse embryonic stem cell lines, single-cell RNA sequencing, and transcriptomic and chromatin accessibility profiling, we show that knockout of Foxe1 drastically impairs Nkx2-1+ cells differentiation and maturation into thyroid follicular-like cells. Concomitantly, a subset of Foxe1 null/Nkx2-1+ cells have a remarkable ability in vitro to undergo a lung epithelial differentiation program and form lung-like organoids harboring cells transcriptionally similar with mouse fetal airway and alveolar cell types. These results demonstrate, for the first time, lung lineage derivation at the expense of thyroid lineage, by a simple removal of a transcription factor, and provide insights into the intricated mechanisms of fate decisions of endodermal cell types. Highlights - Forward programming of mESCs with transient Nkx2-1 and Pax8 overexpression, followed by c-AMP treatment, leads to differentiation of functional thyroid follicles in vitro ; - In absence of Foxe1, thyroid follicle-like structures, derived from mESCs, are scarce and non-functional; - Concomitantly, a subset of Nkx2-1-expressing cells generated from Foxe1KO mESCs spontaneously form lung organoids containing multiple differentiated lung cell types; - ATACseq analyses show higher chromatin remodeling in Nkx2-1-expressing cells in control compared to Foxe1KO cells, especially for genes involved in thyroid maturation and maintenance of the 3D structure of the follicle.

The thyroid gland regulates growth and metabolism via production of thyroid hormone in follicles composed of thyrocytes. So far, thyrocytes have been assumed to be a homogenous population. To uncover genetic heterogeneity in the thyrocyte population, and molecularly characterize the non-thyrocyte cells surrounding the follicle, we developed a single-cell transcriptome atlas of the zebrafish thyroid gland. The 6249-cell atlas includes profiles of thyrocytes, blood vessels, lymphatic vessels, immune cells and fibroblasts. Further, the thyrocytes could be split into two sub-populations with unique transcriptional signature, including differential expression of the transcription factor pax2a . To validate thyrocyte heterogeneity, we generated a CRISPR/Cas9-based pax2a knock-in line, which demonstrated specific pax2a expression in the thyrocytes. However, a population of pax2a -low mature thyrocytes interspersed within individual follicles could be distinguished, corroborating heterogeneity within the thyrocyte population. Our results identify and validate transcriptional differences within the nominally homogenous thyrocyte population.One-line summary Single-cell analysis uncovers latent heterogeneity in thyroid follicular cells.![Figure][1] [1]: pending:yes

Abstract The thyroid gland regulates metabolism and growth via secretion of thyroid hormones by thyroid follicular cells (TFCs). Loss of TFCs, by cellular dysfunction, autoimmune destruction or surgical resection, underlies hypothyroidism. Recovery of thyroid hormone levels by transplantation of mature TFCs derived from stem cells in vitro holds great therapeutic promise. However, the utilization of in vitro derived tissue for regenerative medicine is restricted by the efficiency of differentiation protocols to generate mature organoids. Here, to improve the differentiation efficiency for thyroid organoids, we utilized single-cell RNA-Seq to chart the molecular steps undertaken by individual cells during the in vitro transformation of mouse embryonic stem cells to TFCs. Our single-cell atlas of mouse organoid systematically and comprehensively identifies, for the first time, the cell types generated during production of thyroid organoids. Using pseudotime analysis, we identify TGF-beta and planar-cell polarity (PCP) pathways as regulators of thyroid maturation in vitro . Using pharmacological manipulation of TGF-beta pathway, we improve the level of thyroid maturation, in particular the induction of Nis expression. This in turn, leads to an enhancement of iodide organification in vitro , suggesting functional improvement of the thyroid organoid. Our study highlights the potential of single-cell molecular characterization in understanding and improving thyroid maturation and paves the way for identification of therapeutic targets against thyroid disorders.

Abstract A subpopulation of deeply quiescent, so-called dormant hematopoietic stem cells (dHSCs) resides at the top of the hematopoietic hierarchy and serves as a reserve pool for HSCs possessing the greatest long-term blood repopulation capacity. The state of dormancy protects the HSC pool from exhaustion throughout life, however excessive dormancy may block an efficient response to hematological stresses. The mechanisms of HSC dormancy remain elusive, mainly due to the absence of surface markers that allow dHSC prompt isolation. Here, we identify CD38 as a novel surface marker for murine dHSCs that is broadly applicable. Moreover, we demonstrate that cyclic adenosine diphosphate ribose (cADPR), the product of CD38 cyclase activity, regulates the expression of the transcription factor c-Fos by increasing cytoplasmic Ca 2+ concentration. Strikingly, we uncover that c-Fos drives HSCs dormancy through the induction of the cell cycle inhibitor p57 Kip2 . Moreover, we found that CD38 ecto-enzymatic activity at the neighboring CD38-positive cells can promote human HSC quiescence. Together, CD38/cADPR/Ca 2+ /cFos/p57 Kip2 axis maintains HSC dormancy. Pharmacological manipulations of this pathway can provide new strategies to expand dHSCs for transplantation or to activate them during hematological stresses.

The thyroid gland captures iodide in order to synthesize hormones that act on almost all tissues and are essential for normal growth and metabolism. Low plasma levels of thyroid hormones lead to hypothyroidism, which is one of the most common disorder in humans and is not always satisfactorily treated by lifelong hormone replacement. Therefore, in addition to the lack of in vitro tractable models to study human thyroid development, differentiation and maturation, functional human thyroid organoids could pave the way to explore new therapeutic approaches. Here we report the first transplantable thyroid organoids derived from human embryonic stem cells capable of restoring plasma thyroid hormone to athyreotic mice as a proof of concept for future therapeutic development.

The epiblast, a pseudostratified epithelium, is the precursor for the three main germ layers required for body shape and organogenesis: ectoderm, mesoderm, and endoderm. At gastrulation, a subpopulation of epiblast cells constitutes a transient posteriorly located structure called the primitive streak, where cells that undergo epithelial-mesenchymal transition make up the mesoderm and endoderm lineages. In order to observe the behavior of individual cells, epiblast cells were labeled ubiquitously or in a mosaic fashion using fluorescent membrane reporters. The cell shapes of individual cells and the packing and behaviour of neighbouring cells during primitive streak formation were recorded through live time-lapse imaging. Posterior epiblast displayed a higher frequency of rosettes, a signature of cell rearrangements, prior to primitive streak initiation. A third of rosettes were associated with a central cell undergoing mitosis. Interestingly, cells at the primitive streak, in particular delaminating cells, underwent mitosis twice more frequently than other epiblast cells, suggesting a role for cell division in epithelial-mesenchymal transition. Pseudostratified epithelia are characterized by interkinetic nuclear migration, where mitosis occurs at the apical side of the epithelium. However, we found that exclusively on the posterior side of the epiblast, mitosis was not restricted to the apical side. Non-apical mitosis was apparent as early as E5.75, just after the establishment of the anterior-posterior axis, and prior to initiation of epithelial-mesenchymal transition. Non-apical mitosis was associated with primitive streak morphogenesis, as it occurred specifically in the streak even when ectopically located. Most non-apical mitosis resulted in one or two daughter cells leaving the epiblast layer to become mesoderm. Furthermore, in contrast to what has been described in other pseudostratified epithelia such as neuroepithelium, the majority of cells dividing apically detached completely from the basal pole in the epiblast. Cell rearrangement associated with mitotic cell rounding in the posterior epiblast during gastrulation, in particular when it occurs on the basal side, might thus facilitate cell ingression through the PS and transition to a mesenchymal phenotype.