Colorectal tumor is a heterogeneous disease, with varying clinical presentation and prognosis in patients. To establish a platform encompassing this diversity, we generated 55 colorectal tumor organoid lines from a range of histological subtypes and clinical stages, including rare subtypes. Each line was defined by gene expression signatures and optimized for organoid culture according to niche factor requirements. In vitro and in xenografts, the organoids reproduced the histopathological grade and differentiation capacity of their parental tumors. Notably, we found that niche-independent growth is predominantly associated with the adenoma-carcinoma transition reflecting accumulation of multiple mutations. For matched pairs of primary and metastatic organoids, which had similar genetic profiles and niche factor requirements, the metastasis-derived organoids exhibited higher metastatic capacity. These observations underscore the importance of genotype-phenotype analyses at a single-patient level and the value of our resource to provide insights into colorectal tumorigenesis and patient-centered therapeutic development.

Despite recent efforts to dissect the inter-tumor heterogeneity of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) by determining prognosis-predictive gene expression signatures for specific subtypes, their functional differences remain elusive. Here, we established a pancreatic tumor organoid library encompassing 39 patient-derived PDACs and identified 3 functional subtypes based on their stem cell niche factor dependencies on Wnt and R-spondin. A Wnt-non-producing subtype required Wnt from cancer-associated fibroblasts, whereas a Wnt-producing subtype autonomously secreted Wnt ligands and an R-spondin-independent subtype grew in the absence of Wnt and R-spondin. Transcriptome analysis of PDAC organoids revealed gene-expression signatures that associated Wnt niche subtypes with GATA6-dependent gene expression subtypes, which were functionally supported by genetic perturbation of GATA6. Furthermore, CRISPR-Cas9-based genome editing of PDAC driver genes (KRAS, CDKN2A, SMAD4, and TP53) demonstrated non-genetic acquisition of Wnt niche independence during pancreas tumorigenesis. Collectively, our results reveal functional heterogeneity of Wnt niche independency in PDAC that is non-genetically formed through tumor progression.

ABSTRACT A pedigree of subjects with frontonasal dysplasia (FND) presented with bilateral oblique facial clefts and ocular phenotypes. Genome sequencing and analysis identified a L165F missense variant in the homeodomain of the transcription factor ALX1 which was imputed to be pathogenic. Induced pluripotent stem cells (iPSC) were derived from the subjects and differentiated to neural crest cells (NCC). NCC derived from ALX1 L165F/L165F iPSC were more sensitive to apoptosis, showed an elevated expression of several neural crest progenitor state markers, and exhibited impaired migration compared to wild type controls. NCC migration was also evaluated in vivo using lineage tracing in a zebrafish model, which revealed defective migration of the anterior NCC stream that contributes to the median portion of the anterior neurocranium, phenocopying the clinical presentation. Analysis of human NCC culture media revealed a change in the level of bone morphogenic proteins (BMP), with a low-level of BMP2 and a high level of BMP9. Soluble BMP2 and BMP9 antagonist treatments were able to rescue the defective migration phenotype. Taken together, these results demonstrate a mechanistic requirement of ALX1 in NCC development and migration.

Wnt signaling plays crucial roles in embryonic patterning including the regulation of convergent extension (CE) during gastrulation, the establishment of the dorsal axis, and later, craniofacial morphogenesis. Further, Wnt signaling is a crucial regulator of craniofacial morphogenesis. The adapter proteins Dact1 and Dact2 modulate the Wnt signaling pathway through binding to Disheveled. However, the distinct relative functions of Dact1 and Dact2 during embryogenesis remain unclear. We found that dact1 and dact2 genes have dynamic spatiotemporal expression domains that are reciprocal to one another suggesting distinct functions during zebrafish embryogenesis. Both dact1 and dact2 contribute to axis extension, with compound mutants exhibiting a similar CE defect and craniofacial phenotype to the wnt11f2 mutant. Utilizing single-cell RNAseq and an established noncanonical Wnt pathway mutant with a shortened axis ( gpc4 ), we identified dact1/2 -specific roles during early development. Comparative whole transcriptome analysis between wildtype and gpc4 and wildtype and dact1/2 compound mutants revealed a novel role for dact1/2 in regulating the mRNA expression of the classical calpain capn8 . Overexpression of capn8 phenocopies dact1/2 craniofacial dysmorphology. These results identify a previously unappreciated role of capn8 and calcium-dependent proteolysis during embryogenesis. Taken together, our findings highlight the distinct and overlapping roles of dact1 and dact2 in embryonic craniofacial development, providing new insights into the multifaceted regulation of Wnt signaling.

ABSTRACT Orofacial clefts are among the most common human congenital malformations. Irf6 and Esrp1 are two key genes important for palate development, conserved across vertebrates. In the zebrafish, we found that irf6 regulates the expression of esrp1 . Using RNAscope, we detailed overlapping Irf6 and Esrp1/2 gene expression in the mouse frontonasal prominence ectoderm, lambda joint periderm, palate and lip epithelium. In the zebrafish, irf6 and esrp1/2 share expression in the pre-gastrulation periderm and the embryonic frontonasal ectoderm, oral epithelium ventral to the anterior neurocranium (ANC), and the developing stomodeum. Genetic disruption of irf6 and esrp1/2 in the zebrafish resulted in cleft of the ANC. In the esrp1/2 zebrafish mutant, cleft of the mouth opening formed and appeared to tether into the ANC cleft. Lineage tracing of the anterior cranial neural crest cells revealed that cleft of the ANC resulted not from migration defect, but from impaired chondrogenesis. Molecular analysis of the aberrant cells localized within the ANC cleft revealed that this cell population espresses sox10, col1a1 and irf6 and is adjacent to cells expressing epithelial krt4 . Detailed morphogenetic analysis of mouse Irf6 mutant revealed mesenchymal defects not observed in the Esrp1/2 mutant. Analysis of breeding compound Irf6;Esrp1;Esrp2 mutant suggests that these genes interact where the triple mutant is not observed. Taken together, these studies highlight the complementary analysis of Irf6 and Esrp1/2 in mouse and zebrafish models and captured an unique aberrant embryonic cell population that contributes to cleft pathogenesis. Future work characterizing this unqiue sox10+, col1a1+, irf6 + cell population will yield additional insight into cleft pathogenesis.