Two niches with distinct characteristics work in tandem.

The plasticity of differentiated cells in adult tissues undergoing repair is an area of intense research. Pulmonary alveolar type II cells produce surfactant and function as progenitors in the adult, demonstrating both self-renewal and differentiation into gas exchanging type I cells. In vivo, type I cells are thought to be terminally differentiated and their ability to give rise to alternate lineages has not been reported. Here we show that Hopx becomes restricted to type I cells during development. However, unexpectedly, lineage-labelled Hopx+ cells both proliferate and generate type II cells during adult alveolar regrowth following partial pneumonectomy. In clonal 3D culture, single Hopx+ type I cells generate organoids composed of type I and type II cells, a process modulated by TGFβ signalling. These findings demonstrate unanticipated plasticity of type I cells and a bidirectional lineage relationship between distinct differentiated alveolar epithelial cell types in vivo and in single-cell culture. Alveoli are the lung's functional units composed of two major epithelial cell types, type I and type II. Type II cells are adult lung stem cells, but this study shows that differentiated Type I cells can also self-renew and give rise to Type II cells, revealing a bidirectional relationship between lung epithelial cell types.

Abstract Cardiac directed differentiation of human induced pluripotent stem cells consistently produces a mixed population of cardiomyocytes and non-cardiac cell types even when using very well-characterized protocols. We wondered whether differentiated cell types might result from intrinsic differences in hiPS cells prior to the onset of differentiation. By associating individual differentiated cells that share a common hiPS cell precursor, we were able to test whether expression variability in differentiated cells was pre-determined from the hiPS cell state. Although within a single experiment, differentiated cells that share an hiPS cell progenitor were more transcriptionally similar to each other than to other cells in the differentiated population, when the same hiPS cells were differentiated in parallel, we did not observe high transcriptional similarity across differentiations. Additionally, we found that substantial cell death occurred during differentiation in a manner that suggested that all cells were equally likely to survive or die, suggesting that there was no intrinsic selection bias for cells descended from particular hiPS cell progenitors. These results led us to wonder about how cells grow out spatially during the directed differentiation process. Labeling cells by their expression of a few canonical cell type marker genes, we showed that cells expressing the same marker tended to occur in patches observable by visual inspection, suggesting that cell type determination across multiple cell types, once initiated, is maintained in a cell-autonomous manner for multiple divisions. Altogether, our results show that while there is substantial heterogeneity in the initial hiPS cell population, that heterogeneity is not responsible for heterogeneous outcomes, and that the window during which cell type specification occurs is likely to begin shortly after the seeding of hiPS cells for differentiation.