Identification and functional characterization of mesenchymal cell lineages in the intestine

Abstract

It is well established that mesenchymal cells in the intestinal stem cell niche play a fundamental role to the maintenance of epithelial stem cells and consequently intestinal homeostasis. In contrast, the role of mesenchymal cells outside the stem cell niche is largely unexplored. In this work, we used the Col6a1Cre mouse as a tool to target mesenchymal cells and delineate further their identity and role in homeostasis, intestinal morphogenesis, and colitis. Col6a1Cre mice targeted distinct fibroblast subsets outside the stem cell niche and perivascular cells that can be further distinguished by the combination of the CD201, PDGFRα and αSMA markers. The predominant targeted subpopulation is the PDGFRαhi CD201+ CD34- telocytes at the top of colonic crypts. Col6a1-Cre+ cells were the dominant source of BMPs and non-canonical Wnts, and expressed genes related to epithelial differentiation. In acute DSS colitis, they produced pro-inflammatory mediators, but retained their homeostatic properties and distinct topology. During intestinal development, Col6a1-Cre+ cells were found as PDGFRαhi CD201+ cell aggregates in the “villus clusters” which have a well-established role in villi formation. To explore the physiological functions of Col6a1-Cre+ cells, we employed Col6a1DTR mice that enabled us to deplete Col6a1-Cre+ cell after diphtheria toxin administration. Depletion of Col6a1-Cre+ cells ablated almost completely PDGFRαhi CD201+ CD34- telocytes and compromised several aspects of epithelial homeostasis; Bmp7 and Wnt5a were significantly downregulated, enteroendocrine cells were reduced, and the topological distribution of proliferative cells wase dysregulated. However, the intestinal architecture appeared normal, implying compensatory mechanisms. Indeed, depletion of PDGFRαhi CD201+ CD34- telocytes, triggered PDGFRαlo CD201 -CD34+ cells to proliferate, occupy subepithelial locations and alter their gene expression profile to partially compensate for telocyte loss and support homeostasis. Depletion of Col6a1-Cre+ cells in the colon after acute DSS colitis was also followed by CD34+ mesenchymal cell plasticity showing that Col6a1-Cre+ cells were dispensable for tissue regeneration. In contrast, Col6a1-Cre+ cells played an essential role during intestinal development, as depletion of Col6a1-Cre+ cells in the small intestine and colon of Col6a1DTR embryos abolished villi and crypt morphogenesis. Overall, our findings delineated the identity of Col6a1-Cre+ cells, elucidated their crucial developmental role in villi morphogenesis and unraveled a regulatory role in epithelial homeostasis. Lastly, our work revealed a previously unappreciated plasticity among mesenchymal subpopulations in homeostasis and tissue regeneration.

Είναι πλέον γνωστό ότι τα μεσεγχυματικά κύτταρα του παχέος εντέρου επιτελούν καθοριστικές λειτουργίες για τη διατήρηση της ομοιόστασης των επιθηλιακών βλαστικών κυττάρων. Ωστόσο, το σύνολο των πλειοτροπικών λειτουργιών τους που συμβάλουν στην ομοιόσταση του εντέρου παραμένει αδιερεύνητο. Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, χρησιμοποιήσαμε το πειραματικό μοντέλο ποντικών Col6a1Cre για να στοχεύσουμε μεσεγχυματικά κύτταρα στο έντερο και να αποσαφηνίσουμε την ταυτότητα και τον ρόλο τους στην ομοιόσταση, στη μορφογένεση του εντέρου και στην ελκώδη κολίτιδα. Οι Col6a1Cre ποντικοί στοχεύουν μια ετερογενή ομάδα μεσεγχγυματικών κυττάρων και περικυττάρων που μπορούν να διαχωρισθούν περεταίρω με τον συνδυασμό των μεσεγχυματικών δεικτών CD201, PDGFRα και αSMA, με κυριότερη τα PDGFRαhi CD201+ CD34- τελοκύτταρα που απαντώνται κυρίως υποεπιθηλιακά στην κορυφή των κρυπτών του παχέος εντέρου. Τα Col6a1-Cre+ κύτταρα αποτελούν την κύρια πηγή BMPs και μη-κανονικών Wnts και εκφράζουν γονίδια που σχετίζονται με τη διαφοροποίηση του επιθηλίου. Στην ελκώδη κολίτιδα ενεργοποιούνται και απελευθερώνουν προ-φλεγμονώδεις μεσολαβητές, αλλά διατηρούν παράλληλα τις ομοιοστατικές τους λειτουργίες και τη θέση τους. Κατά τη διάρκεια της μορφογένεσης του εντέρου, εμφανίζονται ως συσσωματώματα PDGFRαhi CD201+ κυττάρων τα λεγόμενα «villus clusters» πoυ έχουν γνωστό σημαντικό ρόλο στη μορφογένεση των λαχνών του εντέρου. Για να διερευνήσουμε το ρόλο των Col6a1-Cre+ κυττάρων, χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο ποντικών Col6a1DTR που επιτρέπει την απαλοιφή των Col6a1-Cre+ κυττάρων μετά τη χορήγηση της τοξίνης της διφθερίτιδας. Η απαλοιφή των Col6a1-Cre+ κυττάρων εξάλειψε σχεδόν πλήρως τα PDGFRαhi CD201+ CD34- τελοκύτταρα και επηρέασε την ομοιόσταση των επιθηλιακών κυττάρων μειώνοντας τον αριθμό των εντεροενδοκρινών κυττάρων, υποεκφράζοντας τα γονίδια Bmp7 και Wnt5a και αποδιοργανώνοντας την κατανομή των πολλαπλασιαζόμενων κυττάρων κατά μήκους των κρυπτών. Ωστόσο, η μορφολογία του παχέος εντέρου παρέμεινε φυσιολογική, γεγονός που υποδεικνύει την ύπαρξη αντισταθμιστικού μηχανισμού. Πράγματι, η εξάλειψη τωv PDGFRαhi CD201+ CD34- τελοκυττάρων, πυροδότησε τον πολλαπλασιασμών των PDGFRαlo CD201- CD34+ κυττάρων τα οποία κατέλαβαν στη συνέχεια υποεπιθηλιακές θέσεις και άλλαξαν το προφίλ έκφρασης τους για να αντισταθμίσουν μερικώς την απώλεια των τελοκυττάρων και να επαναφέρουν την ομοιόσταση. Αντίστοιχη πλαστικότητα εμφάνισαν τα PDGFRαlo CD201- CD34+ κύτταρα μετά από ελκώδη κολίτιδα υποδεικνύοντας πως τα Col6a1-Cre+ κύτταρα δεν έχουν ενεργό ρόλο στην αναγέννηση του βλεννογόνου του παχέος εντέρου. Αντίθετα, τα Col6a1-Cre+ κύτταρα παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ανάπτυξη του εντέρου, καθώς η εξάλειψη τους στο λεπτό και παχύ έντερο των Col6a1DTR εμβρύων παρεμπόδισε την εμφάνιση λαχνών και κρυπτών, αντίστοιχα. Συνολικά, η διατριβή αυτή, καθόρισε την ταυτότητα των Col6a1-Cre+ κυττάρων και διαλεύκανε τον καθοριστικό ρόλο τους στη μορφογένεση του εντέρου και στην ομοιόσταση των επιθηλιακών κυττάρων. Επίσης, ανέδειξε την πλαστικότητα ως ιδιότητα των μεσεγχυματικών κυττάρων για τη διατήρηση της ομοιόστασης και της αναγέννησης του βλεννογόνου του παχέος εντέρου.