Cell function depends on tissue rigidity, which cells probe by applying and transmitting forces to their extracellular matrix, and then transducing them into biochemical signals. Here we show that in response to matrix rigidity and density, force transmission and transduction are explained by the mechanical properties of the actin–talin–integrin–fibronectin clutch. We demonstrate that force transmission is regulated by a dynamic clutch mechanism, which unveils its fundamental biphasic force/rigidity relationship on talin depletion. Force transduction is triggered by talin unfolding above a stiffness threshold. Below this threshold, integrins unbind and release force before talin can unfold. Above the threshold, talin unfolds and binds to vinculin, leading to adhesion growth and YAP nuclear translocation. Matrix density, myosin contractility, integrin ligation and talin mechanical stability differently and nonlinearly regulate both force transmission and the transduction threshold. In all cases, coupling of talin unfolding dynamics to a theoretical clutch model quantitatively predicts cell response. Integrins and talin are parts of a ‘molecular clutch’ that mechanically links the actin cytoskeleton to the extracellular matrix. Elosegui-Artola et al. now reveal a tunable rigidity threshold, above which talin unfolds to mediate force transduction.

Jorge Ferrer and colleagues have mapped regulatory SNP variants associated in GWAS with type 2 diabetes risk and glycemic traits to large clusters of enhancer elements regulating the transcriptional identity of pancreatic β cells via a highly connected transcription factor network. Type 2 diabetes affects over 300 million people, causing severe complications and premature death, yet the underlying molecular mechanisms are largely unknown. Pancreatic islet dysfunction is central in type 2 diabetes pathogenesis, and understanding islet genome regulation could therefore provide valuable mechanistic insights. We have now mapped and examined the function of human islet cis-regulatory networks. We identify genomic sequences that are targeted by islet transcription factors to drive islet-specific gene activity and show that most such sequences reside in clusters of enhancers that form physical three-dimensional chromatin domains. We find that sequence variants associated with type 2 diabetes and fasting glycemia are enriched in these clustered islet enhancers and identify trait-associated variants that disrupt DNA binding and islet enhancer activity. Our studies illustrate how islet transcription factors interact functionally with the epigenome and provide systematic evidence that the dysregulation of islet enhancers is relevant to the mechanisms underlying type 2 diabetes.

Intestinal organoids capture essential features of the intestinal epithelium such as folding of the crypt, spatial compartmentalization of different cell types, and cellular movements from crypt to villus-like domains. Each of these processes and their coordination in time and space requires patterned physical forces that are currently unknown. Here we map the three-dimensional cell-ECM and cell-cell forces in mouse intestinal organoids grown on soft hydrogels. We show that these organoids exhibit a non-monotonic stress distribution that defines mechanical and functional compartments. The stem cell compartment pushes the ECM and folds through apical constriction, whereas the transit amplifying zone pulls the ECM and elongates through basal constriction. Tension measurements establish that the transit amplifying zone isolates mechanically the stem cell compartment and the villus-like domain. A 3D vertex model shows that the shape and force distribution of the crypt can be largely explained by cell surface tensions following the measured apical and basal actomyosin density. Finally, we show that cells are pulled out of the crypt along a gradient of increasing tension, rather than pushed by a compressive stress downstream of mitotic pressure as previously assumed. Our study unveils how patterned forces enable folding and collective migration in the intestinal crypt.

Extracellular vesicles (EVs) secreted by tumors are abundant in plasma, but their potential for interrogating the molecular features of tumors through multi-omic profiling remains widely unexplored. Genomic and transcriptomic profiling of circulating EV-DNA and EV-RNA isolated from in vitro and in vivo models of metastatic prostate cancer (mPC) reveal a high contribution of tumor material to EV-loaded DNA/RNA, validating the findings in two cohorts of longitudinal plasma samples collected from patients during androgen receptor signaling inhibitor (ARSI) or taxane-based therapy. EV-DNA genomic features recapitulate matched-patient biopsies and circulating tumor DNA (ctDNA) and associate with clinical progression. We develop a novel approach to enable transcriptomic profiling of EV-RNA (RExCuE). We report how the transcriptome of circulating EVs is enriched for tumor-associated transcripts, captures certain patient and tumor features, and reflects on-therapy tumor adaptation changes. Altogether, we show that EV profiling enables longitudinal transcriptomic and genomic profiling of mPC in liquid biopsy.

Recent studies have uncovered thousands of long non-coding RNAs (lncRNAs) in human pancreatic β cells. β cell lncRNAs are often cell type-specific, and exhibit dynamic regulation during differentiation or upon changing glucose concentrations. Although these features hint at a role of lncRNAs in β cell gene regulation and diabetes, the function of β cell lncRNAs remains largely unknown. In this study, we investigated the function of β cell-specific lncRNAs and transcription factors using transcript knockdowns and co-expression network analysis. This revealed lncRNAs that function in concert with transcription factors to regulate β cell-specific transcriptional networks. We further demonstrate that lncRNA PLUTO affects local three-dimensional chromatin structure and transcription of PDX1, encoding a key β cell transcription factor, and that both PLUTO and PDX1 are downregulated in islets from donors with type 2 diabetes or impaired glucose tolerance. These results implicate lncRNAs in the regulation of β cell-specific transcription factor networks.

Extracellular vesicles (EVs) secreted by tumors are abundant in plasma, but their potential for interrogating the molecular features of tumors through multi-omic profiling remains widely unexplored. Genomic and transcriptomic profiling of circulating EV-DNA and EV-RNA isolated from a range of in-vitro and in-vivo models of metastatic prostate cancer (mPC) revealed a high contribution of tumor material to EV-loaded DNA/RNA. Findings were validated in a cohort of longitudinal plasma samples collected from mPC patients during androgen receptor signaling inhibitor (ARSI) therapy. EV-DNA genomic features recapitulated matched-patient biopsies and associated with clinical progression. We developed a novel approach to enable the transcriptomic profiling of EV-RNA (RExCuE). We report how the transcriptomic profile in mPC EV-RNA is enriched for tumor-associated transcripts when compared to same patient blood RNA and healthy individuals EV-RNA, and reflect early on-therapy tumor adaptation changes. Altogether, we show that EV profiling enables longitudinal transcriptomic and genomic profiling of mPC in liquid biopsy.