Abstract Severe birth defects or major injuries to the face require surgical reconstruction and rehabilitation. The ability to make bona fide craniofacial cartilage – cartilage of the head and face – from patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) to repair these birth defects and injuries has tremendous translational applications, but is not yet possible. The neural crest is the normal developmental pathway for craniofacial cartilage, however, the knowledge of cell signaling pathways that drive neural crest differentiation into craniofacial chondrocytes is limited. Here we describe a differentiation protocol that generated self-organizing craniofacial cartilage organoids from human embryonic stem cells (hESCs) and IPSCs through a neural crest stem cell (NCSC) intermediate. Histological staining of cartilage organoids revealed tissue architecture typical of hyaline cartilage. Organoids were composed of rounded aggregates of glassy, gray matrix that contained scattered small nuclei in lacunae. Mass spectrometry shows that the organoids express robust levels of cartilage markers including aggrecan, perlecan, proteoglycans, and many collagens. Organoids expressed markers indicative of neural crest lineage, as well as growth factors that are candidates for chondrocyte differentiation factors. The data suggest that chondrocyte differentiation is initiated by autocrine loops driven by a combination of secreted growth factors that bind to chondrocyte receptors. Craniofacial cartilage organoids were continuously cultured for one year, reaching up to one centimeter in diameter. The ability to grow craniofacial cartilage from NCSCs provides insights into the cell signaling mechanisms of differentiation into craniofacial cartilage, which lays the groundwork for understanding mechanistic origins of congenital craniofacial anomalies and repairing cartilaginous structures of the head and face.

All receptor tyrosine kinases (RTKs) activate similar downstream signaling pathways and effectors, yet it is not fully understood how different receptors elicit distinct cellular responses to control proliferation, differentiation, and other cell fates. We tested the hypothesis that regulation of SRC Family Kinase (SFK) signaling by the scaffold protein, PAG1, influences cell fate decisions following RTK activation. We generated a neuroblastoma cell line expressing a PAG1 fragment that lacks the membrane spanning domain (PAG1TM-) and localized to the cytoplasm. PAG1TM- cells exhibited higher amounts of active SFKs and increased growth rate. PAG1TM- cells were unresponsive to TRKA and RET signaling, two RTKs that induce neuronal differentiation, but retained responses to EGFR and KIT. Under differentiation conditions, PAG1TM- cells continued to proliferate and did not extend neurites or increase beta-III tubulin expression. FYN and LYN were sequestered in multivesicular bodies (MVBs), and dramatically more FYN and LYN were in the lumen of MVBs in PAG1TM- cells. In particular, activated FYN was sequestered in PAG1TM- cells, suggesting that disruption of FYN localization led to the observed defects in differentiation. The results demonstrate that PAG1 directs SFK intracellular localization to control activity and to mediate signaling by RTKs that induce neuronal differentiation.