Abstract The human gastrointestinal tract is immature at birth, yet must adapt to dramatic changes such as oral nutrition and microbial colonization. The confluence of these factors can lead to severe inflammatory disease in premature infants; however, investigating complex environment-host interactions is diZcult due to limited access to immature human tissue. Here, we demonstrate that the epithelium of human pluripotent stem cell-derived human intestinal organoids is globally similar to the immature human epithelium and we utilize HIOs to investigate complex host-microbe interactions in this naïve epithelium. Our findings demonstrate that the immature epithelium is intrinsically capable of establishing a stable host-microbe symbiosis. Microbial colonization leads to complex contact and hypoxia driven responses resulting in increased antimicrobial peptide production, maturation of the mucus layer, and improved barrier function. These studies lay the groundwork for an improved mechanistic understanding of how colonization influences development of the immature human intestine.

Summary Human intestinal organoids (HIOs) represent a powerful system to study human development and are promising candidates for clinical translation as drug-screening tools or engineered tissue. Experimental control and clinical use of HIOs is limited by growth in expensive and poorly defined tumor-cell-derived extracellular matrices, prompting investigation of synthetic ECM-mimetics for HIO culture. Since HIOs possess an inner epithelium and outer mesenchyme, we hypothesized that adhesive cues provided by the matrix may be dispensable for HIO culture. Here, we demonstrate that alginate, a minimally supportive hydrogel with no inherent cell adhesion properties, supports HIO growth in vitro and leads to HIO epithelial differentiation that is virtually indistinguishable from Matrigel-grown HIOs. Additionally, alginate-grown HIOs mature to a similar degree as Matrigel-grown HIOs when transplanted in vivo , both resembling human fetal intestine. This work demonstrates that purely mechanical support from a simple-to-use and inexpensive hydrogel is sufficient to promote HIO survival and development.

Abstract Infection of the human gut by Salmonella enterica Typhimurium (STM) results in a localized inflammatory disease that is not mimicked in murine infections. To determine mechanisms by which neutrophils, as early responders to bacterial challenge, direct inflammatory programming of human intestinal epithelium, we established a multi-component human intestinal organoid (HIO) model of STM infection. HIOs were micro-injected with STM and then seeded with primary human polymorphonuclear leukocytes (PMN-HIOs), specifically neutrophils and analyzed for bacterial growth and host cell survival. Surprisingly, PMNs did not affect luminal colonization of Salmonella, but their presence reduced intraepithelial bacterial burden. Adding PMNs to infected HIOs resulted in substantial accumulation of shed intestinal epithelial cells that could be blocked by Caspase-1 or Caspase-3 inhibition. Cleaved Caspase-3 was present in epithelial cells, but expression of the inflammasome adaptor, ASC, was only detected in PMNs. Caspase inhibition also increased bacterial burden in the epithelium of the PMN-HIO, suggesting PMNs enhance activation of cell death pathways in human intestinal epithelial cells as a protective response to infection. These data support a critical function for neutrophils beyond their antimicrobial role whereby they amplify cell death and extrusion of epithelial cells from the Salmonella -infected intestinal monolayer. Significance statement Neutrophils are early responders to Salmonella intestinal infection, but how they influence infection progression and outcome is unknown. Here we use a co-culture model of human intestinal organoids and human primary neutrophils to study the contribution of human neutrophils to Salmonella infection of the intestinal epithelium. We found that neutrophils markedly enhanced epithelial defenses, including enhancing cell extrusion to reduce intraepithelial burden of Salmonella and association with the epithelium, rather than directly killing Salmonella in the HIO lumen. These findings reveal a novel role for neutrophils in the gut beyond killing invading pathogens and illuminate how neutrophils can reprogram cells in the gut environment to enhance antimicrobial defenses.

Abstract MicroRNAs (miRNAs) are important post-transcriptional gene regulators in organ development. To explore candidate roles for miRNAs in prenatal SI lineage specification in humans, we used a multi-omic analysis strategy in a directed differentiation model that programs human pluripotent stem cells toward the SI lineage. We leveraged small RNA-seq to define the changing miRNA landscape, and integrated chromatin run-on sequencing (ChRO-seq) and RNA-seq to define genes subject to significant post-transcriptional regulation across the different stages of differentiation. Our analyses showed that the elevation of miR-182 and reduction of miR-375 are key events during SI lineage specification. We demonstrated that loss of miR-182 leads to an increase in the foregut marker SOX2 . We also used single-cell analyses in murine adult intestinal crypts to support a life-long role for miR-375 in the regulation of Zfp36l2 . Finally, we uncovered opposing roles of SMAD4 and WNT signaling in regulating miR-375 expression during SI lineage specification. Beyond the mechanisms highlighted in this study, we also present a web-based application for exploration of post-transcriptional regulation and miRNA-mediated control in the context of early human SI development. Graphical Abstract

Abstract Pluripotent stem-cell-derived human intestinal organoids (HIOs) are three-dimensional, multicellular structures that model a previously uncolonized, naïve intestinal epithelium in an in vitro system. We recently demonstrated that microinjection of the non-pathogenic Escherichia coli strain, ECOR2, into HIOs induced morphological and functional maturation of the HIO epithelium, including increased secretion of mucins and cationic antimicrobial peptides. In the current work, we use ECOR2 as a biological probe to investigate the bacterial response to colonization of the HIO lumen. In E. coli and other Gram-negative bacteria, adaptation to environmental stress is regulated by the general stress response sigma factor, RpoS. We generated an isogenic ∆ rpoS ECOR2 mutant to compare challenges faced by a bacterium during colonization of the HIO lumen relative to the germ-free mouse intestine, which is currently the best available system for studying the initial establishment of bacterial populations within the gut. We demonstrate that loss of RpoS significantly decreases the ability of ECOR2 to colonize HIOs, though it does not prevent colonization of germ-free mice. Rather, the ∆ rpoS ECOR2 exhibits a fitness defect in the germ-free mouse intestine only in the context of microbial competition. These results indicate that HIOs pose a differentially restrictive luminal environment to E. coli during colonization, thus increasing our understanding of the HIO model system as it pertains to studying the establishment of intestinal host-microbe symbioses. Importance Technological advancements have and will continue to drive the adoption of organoid-based systems for investigating host-microbe interactions within the human intestinal ecosystem. Using E. coli deficient in the RpoS-mediated general stress response, we demonstrate that the type or severity of microbial stressors within the HIO lumen differ from those of the in vivo environment of the germ-free mouse gut. This study provides important insight into the nature of the HIO microenvironment from a microbiological standpoint.

ABSTRACT Nontyphoidal strains of Salmonella enterica are a major cause of foodborne illnesses, and infection with these bacteria results in inflammatory gastroenteritis. Polymorphonuclear leukocytes (PMNs), also known as neutrophils, are a dominant immune cell type found at the site of infection in Salmonella- infected individuals, but how they regulate infection outcome is not well understood. Here, we used a co-culture model of primary human PMNs and human intestinal organoids to probe the role of PMNs during infection with two of the most prevalent Salmonella serovars: Salmonella enterica serovar Enteritidis and Typhimurium. Using a transcriptomics approach, we identified a dominant role for PMNs in mounting differential immune responses including production of pro-inflammatory cytokines, chemokines, and antimicrobial peptides. We also identified specific gene sets that were induced by PMNs in response to Enteritidis or Typhimurium infection. By comparing host responses to these serovars, we uncovered differential regulation of host metabolic pathways particularly induction of cholesterol biosynthetic pathways during Typhimurium infection and suppression of RNA metabolism during Enteritidis infection. Together, these findings provide insight into the role of human PMNs in modulating different host responses to pathogens that cause similar disease in humans. IMPORTANCE Nontyphoidal serovars of Salmonella enterica are known to induce robust recruitment of polymorphonuclear leukocytes (PMNs) in the gut during early stages of infection, but the specific role of PMNs in regulating infection outcome of different serovars is poorly understood. Due to differences in human infection progression compared to small animal models, characterizing the role of PMNs during infection has been challenging. Here, we used a co-culture model of human intestinal organoids with human primary PMNs to study the role of PMNs during infection of human intestinal epithelium. Using a transcriptomics approach, we define PMN-dependent reprogramming of the host response to Salmonella , establishing a clear role in amplifying pro-inflammatory gene expression. Additionally, the host response driven by PMNs differed between two similar nontyphoidal Salmonella serovars. These findings highlight the importance of building more physiological infection models to replicate human infection conditions to study host responses specific to individual pathogens.

Lineage-restricted transcription factors, such as the intestine-specifying factor CDX2, often have dual requirements across developmental time. Embryonic-loss of CDX2 triggers homeotic transformation of intestinal fate, while adult-onset Cdx2-loss compromises critical physiological functions but preserves intestinal identity. It is unclear how such diverse requirements are executed across the developmental continuum. Using primary and engineered human tissues, mouse genetics, and a multi-omics approach, we demonstrate that divergent CDX2 loss-of-function phenotypes in embryonic versus adult intestines correspond to divergent CDX2 chromatin-binding profiles in embryonic versus adult stages. CDX2 binds and activates distinct target genes in developing versus adult mouse and human intestinal cells. We find that temporal shifts in chromatin accessibility correspond to these context-specific CDX2 activities. Thus, CDX2 is not sufficient to activate a mature intestinal program, but rather, CDX2 responds to its environment, targeting stage-specific genes to contribute to either intestinal patterning or maturity. This study provides insights into the mechanisms through which lineage-specific regulatory factors achieve divergent functions over developmental time.

The appropriate development of the small intestine (SI) is critical for efficient nutrient absorption and barrier function after birth. Most of the molecular features and regional patterning of the SI are programmed very early in prenatal development. However, the chromatin regulatory dynamics that underpin early SI development in humans is largely unknown. To fill this knowledge void, we apply a cutting-edge genomic technology to a state-of-the-art model of human SI development. Specifically, we leverage chromatin run-on sequencing (ChRO-seq) to define the landscape of active transcriptional regulatory elements across early stages of directed differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into SI organoids. Through comprehensive bioinformatic analysis of the data we provide the first-ever view of the changing chromatin regulatory landscape and define stage-specific key enhancer hotspots during human SI development. We also identify candidate transcription factors and their cistromes that are associated with the acquisition of SI identity and the initiation of regional patterning. This work offers a rich resource for studying transcriptional regulation of early human SI development.

Abstract Nontyphoidal strains of Salmonella enterica are a major cause of foodborne illnesses and infection with these bacteria result in inflammatory gastroenteritis. Neutrophils are a dominant immune cell type found at the site of infection in Salmonella- infected individuals, but how they regulate infection outcome is not well understood. Here we used a co-culture model of primary human neutrophils and human intestinal organoids to probe the role of neutrophils during infection with two of the most prevalent Salmonella serovars: Salmonella enterica serovar Enteritidis and Typhimurium. Using a transcriptomics approach, we identified a dominant role for neutrophils in mounting differential immune responses including production of pro-inflammatory cytokines, chemokines, and antimicrobial peptides. We also identified specific gene sets that are induced by neutrophils in response to Enteritidis or Typhimurium infection. By comparing host responses to these serovars, we uncovered differential regulation of host metabolic pathways particularly induction of cholesterol biosynthetic pathways during Typhimurium infection and suppression of RNA metabolism during Enteritidis infection. Together these findings provide insight into the role of human neutrophils in modulating different host responses to pathogens that cause similar disease in humans. Importance Nontyphoidal serovars of Salmonella enterica are known to induce robust neutrophil recruitment in the gut during early stages of infection, but the specific role of neutrophils in regulating infection outcome of different serovars is poorly understood. Due to differences in human infection progression compared to small animal models, characterizing the role of neutrophils during infection has been challenging. Here we used a co-culture model of human intestinal organoids with human primary neutrophils to study the role of neutrophils during infection of human intestinal epithelium. Using a transcriptomics approach, we define neutrophil-dependent reprogramming of the host response to Salmonella , establishing a clear role in amplifying pro-inflammatory gene expression. Additionally, the host response driven by neutrophils differed between two similar nontyphoidal Salmonella serovars. These findings highlight the importance of building more physiological infection models to replicate human infection conditions to study host responses specific to individual pathogens.