Low nephron number correlates with the development of hypertension and chronic kidney disease later in life. While intrauterine growth restriction caused by maternal low protein diet (LPD) is thought to be a significant cause of reduced nephron endowment in impoverished communities, its influence on the cellular and molecular processes which drive nephron formation are poorly understood. We conducted a comprehensive characterization of the impact of LPD on kidney development using tomographic and confocal imaging to quantify changes in branching morphogenesis and the cellular and morphological features of nephrogenic niches across development. These analyses were paired with single-cell RNA sequencing to dissect the transcriptional changes that LPD imposes during renal development. Differences in the expression of genes involved in metabolism were identified in most cell types we analyzed, yielding imbalances and shifts in cellular energy production. We further demonstrate that LPD impedes branching morphogenesis and significantly reduces the number of pretubular aggregates - the initial precursors to nephron formation. The most striking observation was that LPD changes the developmental trajectory of nephron progenitor cells, driving the formation of a partially committed cell population which likely reflects a failure of cells to commit to nephron formation and which ultimately reduces endowment. This unique profile of a fetal programming defect demonstrates that low nephron endowment arises from the pleiotropic impact of changes in branching morphogenesis and nephron progenitor cell commitment, the latter of which highlights a critical role for nutrition in regulating the cell fate decisions underpinning nephron endowment.While a mother's diet and behavior can negatively impact the number of nephrons in the kidneys of her offspring, the root cellular and molecular drivers of these deficits have not been rigorously explored. In this study we use advanced imaging and gene expression analysis in mouse models to define how a maternal low protein diet, analogous to that of impoverished communities, results in reduced nephron endowment. We find that low protein diet has pleiotropic effects on metabolism and the normal programs of gene expression. These profoundly impact the process of branching morphogenesis necessary to establish niches for nephron generation and change cell behaviors which regulate how and when nephron progenitor cells commit to differentiation.

STRUCTURED ABSTRACT Background Cis-regulatory elements (CREs), such as enhancers and promoters, and their cognate transcription factors play a central role in cell fate specification. Bulk analysis of CREs has provided insights into gene regulation in nephron progenitor cells (NPCs). However, the cellular resolution required to unravel the dynamic changes in regulatory elements associated with cell fate choices remains to be defined. Methods We integrated single-cell chromatin accessibility (scATAC-seq) and gene expression (scRNA-seq) in embryonic E16.5 (self-renewing) and postnatal P2 (primed) mouse Six2 GFP NPCs. This analysis revealed NPC diversity and identified candidate CREs. To validate these findings and gain additional insights into more differentiated cell types, we performed a multiome analysis of E16.5 and P2 kidneys. Results CRE accessibility recovered the diverse states of NPCs and precursors of differentiated cells. Single-cell types such as podocytes, proximal and distal precursors are marked by differentially accessible CREs. Domains of regulatory chromatin as defined by rich CRE-gene associations identified NPC fate-determining transcription factors (TF). Likewise, key TF expression correlates well with its regulon activity. Young NPCs exhibited enrichment in accessible motifs for bHLH, homeobox, and Forkhead TFs, while older NPCs were enriched in AP-1, HNF1, and HNF4 motif activity. A subset of Forkhead factors exhibiting high chromatin activity in podocyte precursors. Conclusion Defining the regulatory landscape of nephrogenesis at single-cell resolution informs the basic mechanisms of nephrogenesis and provides a foundation for future studies in disease states characterized by abnormal nephrogenesis. Significance Statement Nephron progenitor cells (NPCs) are a multipotent population giving rise to all cell types of the nephron. At any given time, the NPC’s choice to self-renew or differentiate is determined not only by its transcription factor (TF) repertoire but also by the genome accessibility of the cognate cis-regulatory elements. Using single-cell analysis, we demonstrate the heterogeneity of NPCs at the epigenetic level and observe dynamic and cell type-specific changes in chromatin accessibility. Fate-determining TFs harbor domains rich in interactive chromatin that are established prior to gene activation. These findings illustrate the importance of chromatin-based mechanisms in the regulation of nephrogenesis and may have implications for nephron regeneration and repair.

Cerebral aneurysms (CA) are a type of vascular disease that causes significant morbidity and mortality with rupture. Dysfunction of the vascular smooth muscle cells (VSMCs) from circle of Willis (CoW) vessels mediates CA formation, as they are the major cell type of the arterial wall and play a role in maintaining vessel integrity. Dimethyl fumarate (DMF), a first-line oral treatment for relapsing-remitting multiple sclerosis, has been shown to inhibit VSMC proliferation and reduce CA formation in a mouse model. Potential unwanted side effects of DMF on VSMC function have not been investigated yet. The present study characterizes the impact of DMF on VSMC using single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) in CoW vessels following CA induction and further explores its role in mitochondrial function using in vitro VSMC cultures. Two weeks of DMF treatment following CA induction impaired the transcription of the glutathione redox system and downregulated mitochondrial respiration genes in VSMCs. In vitro, DMF treatment increased lactate formation and enhanced the mitochondrial production of reactive oxygen species (ROS). These effects rendered VSMCs vulnerable to oxidative stress and led to mitochondrial dysfunction and enhancement of apoptosis. Taken together, our data support the concept that the DMF-mediated antiproliferative effect on VSMCs is linked to disturbed antioxidative functions resulting in altered mitochondrial metabolism. This negative impact of DMF treatment on VSMCs may be linked to preexisting alterations of cerebrovascular function due to renal hypertension. Therefore, before severe adverse effects emerge, it would be clinically relevant to develop indices or biomarkers linked to this disturbed antioxidative function to monitor patients undergoing DMF treatment.