Self-organization and symmetry breaking in intestinal organoid development

多细胞生物 细胞生物学 类有机物 Notch信号通路 干细胞 细胞 细胞命运测定 不对称细胞分裂 雅普1 电池类型 细胞分裂 生物 信号转导 遗传学 转录因子 基因
作者
Denise Serra,Urs Mayr,Andrea Boni,Ilya Lukonin,Markus Rempfler,Ludivine Challet Meylan,Michael Stadler,Petr Strnad,Panagiotis Papasaikas,Dario Vischi,Annick Waldt,Guglielmo Roma,Prisca Liberali
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:569 (7754): 66-72 被引量:554
标识
DOI:10.1038/s41586-019-1146-y
摘要

Intestinal organoids are complex three-dimensional structures that mimic the cell-type composition and tissue organization of the intestine by recapitulating the self-organizing ability of cell populations derived from a single intestinal stem cell. Crucial in this process is a first symmetry-breaking event, in which only a fraction of identical cells in a symmetrical sphere differentiate into Paneth cells, which generate the stem-cell niche and lead to asymmetric structures such as the crypts and villi. Here we combine single-cell quantitative genomic and imaging approaches to characterize the development of intestinal organoids from single cells. We show that their development follows a regeneration process that is driven by transient activation of the transcriptional regulator YAP1. Cell-to-cell variability in YAP1, emerging in symmetrical spheres, initiates Notch and DLL1 activation, and drives the symmetry-breaking event and formation of the first Paneth cell. Our findings reveal how single cells exposed to a uniform growth-promoting environment have the intrinsic ability to generate emergent, self-organized behaviour that results in the formation of complex multicellular asymmetric structures.
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