Inflation-collapse dynamics drive patterning and morphogenesis in intestinal organoids.
Inflation-collapse dynamics drive patterning and morphogenesis in intestinal organoids.
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DOI：
10.1016/j.stem.2021.04.002
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发表时间：
2021-09-02
期刊：
影响因子：
23.9
通讯作者：
Klein AM
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Tallapragada NP;Cambra HM;Wald T;Keough Jalbert S;Abraham DM;Klein OD;Klein AM
干细胞如何自我组织形成结构化组织是一个尚未解决的问题。肠道类器官提供了一种自组织模型，因为它们即使在没有空间结构化环境的情况下也会产生典型大小的干细胞区（SCZ）。在这里，我们将研究控制SCZ大小的过程。我们提高了肠道类器官培养物的活力和均匀性，以实现多个类器官的长期延时成像。我们发现SCZ是由离子通道介导的膨胀和机械敏感的压电家族通道的强烈控制下的裂变事件。分裂是通过固定的动态行为模式发生的，这些模式在萌芽和分化的协调方面有所不同。成像和单细胞转录组学表明，通货膨胀驱动急性干细胞分化，并诱导拉伸响应细胞状态，其特征在于大的转录变化，包括Piezo1的上调。我们的研究结果揭示了肠上皮细胞的内在能力，通过调节，然后响应其机械状态的自我组织。肠类器官含有类似于体内隐窝基底的干细胞区（SCZ）。我们研究了SCZ图案的现场成像和扰动类器官的“三明治”文化。我们发现SCZ经历了由类器官腔的膨胀和塌陷驱动的压电依赖性裂变，并且膨胀诱导了拉伸相关的细胞状态。
How stem cells self-organize to form structured tissues is an unsolved problem. Intestinal organoids offer a model of self-organization as they generate stem cell zones (SCZs) of typical size even without a spatially structured environment. Here we examine processes governing the size of SCZs. We improve the viability and homogeneity of intestinal organoid cultures to enable long-term time-lapse imaging of multiple organoids in parallel. We find that SCZs are shaped by fission events under strong control of ion channel-mediated inflation and mechanosensitive Piezo-family channels. Fission occurs through stereotyped modes of dynamic behavior that differ in their coordination of budding and differentiation. Imaging and single-cell transcriptomics show that inflation drives acute stem cell differentiation and induces a stretch-responsive cell state characterized by large transcriptional changes, including upregulation of Piezo1. Our results reveal an intrinsic capacity of the intestinal epithelium to self-organize by modulating and then responding to its mechanical state. Intestinal organoids contain stem cell zones (SCZs) that resemble the crypt base in vivo. We studied SCZ patterning by live imaging and perturbing organoids in “sandwich” cultures. We found that SCZs undergo Piezo-dependent fission driven by inflation and collapse of the organoid lumen, and inflation induces a stretch-associated cell state.
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