The colonic epithelium interacts closely with the surrounding mesenchymal stroma, consisting of diverse cell populations that have emerged as essential constituents of the stem cell niche. Understanding the effects of niche cell-derived factors that control epithelial behavior has been made possible by organoid technology, mimicking the stem cell niche through supplementation of several growth factors. However, organoid culture models lack stromal cells, which currently limits the progress in our understanding of the bidirectional interplay between epithelium and stroma. In this study, I established a colon assembloid culture system that includes both primary murine epithelial and stromal cells to investigate the crosstalk between these two compartments in the context of crypt development and homeostasis. I found that as-sembloids form mature crypts with directional cellular turnover and differentiation, which mimics in vivo epithelial crypt organization. Importantly, several key signaling pathways such as Wnt are activated in assembloids without supplementation of growth factors, which are required for proliferation and stemness in pure epithelial culture, indicating that stromal cells are sufficient to induce epithelial stemness. Assembloids imitate not only the epithelial but also the stromal architecture of colonic crypts in vivo to a great extent, recapitulating the diversity and spatial distribution of stromal cells including recently discovered subtypes such as telocytes and trophocytes with specific functional properties. Telocytes and trophocytes in assembloids exhibit a polarized distribution of BMP signaling molecules along the crypt axis, which I found to be crucial for the formation of signaling gradients and cellular differentiation along the crypt axis. Moreover, I observed that epithelial cells that exit the stem cell niche initiate Bmp2 expression, which is further augmented via a positive feed-forward loop between the epithelium and the stroma to enforce cell differentiation. Differentiating epithelial cell-derived Bmp2 induces a functional transition of stromal cells from the trophocyte state into the telocyte state, which further stabilizes BMP signaling by expressing Bmp2 itself. Using genetically heterogeneous assembloids, I demonstrated that activation of BMP signaling in both the epithelium and the stroma is essential for proper epithelial cell specification and crypt formation. Taken together, this study reveals a bidirectional cross-communication between the epithelium and its surrounding stroma: on the one hand, the stroma provides key growth factors required for crypt formation, while, on the other hand, signals from the epithelium ensure functional compartmentalization of stromal cell subsets – which together represent important prerequisites for mucosal self-organization.
Das Kolonepithel steht in enger Wechselwirkung mit dem mesenchymalen Stroma, das wiederum verschiedene Zelltypen umfasst, die wichtige Bestandteile der Stammzellnische sind. Das Verständnis von Nischfaktoren, die das epitheliale Verhalten kontrollieren, wurde durch die Organoidtechnologie, in der die Stammzellnische durch Hinzugabe von diversen Wachstumsfaktoren nachgeahmt wird, ermöglicht. Allerdings beinhalten Organoidkulturen keine Stromazellen, sodass aktuell unser weiteres Verständnis des bidirektionalen Zusammenspiels von Epithel und Stroma limitiert ist. Zur Erforschung des Zusammenspiels dieser zwei Kompartimente im Kontext der Krypt-entwicklung und Homöostase habe ich in dieser Arbeit ein Kolon Assembloid-Kultursystem etabliert, das primäre Mausepithel- und -stromazellen enthält. Ich fand heraus, dass Assembloide reife Krypten mit gerichtetem Zellumsatz und Differenzierung bilden, welche die Kryptenorganisation in vivo nachbilden. Zudem sind in Assembloiden diverse wesentliche Signalwege wie Wnt ohne Zugabe von Wachstumsfaktoren aktiviert, sodass Stromazellen allein ausreichen, um eine epitheliale Stammzellaktivität zu induzieren. Dabei ahmen Assembloide nicht nur die epitheliale, sondern auch die mesenchymale Kryptenarchitektur in vivo weitgehend nach und spiegeln auch die Vielfalt und Verteilung von kürzlich identifizierten Stromazellsubtypen wie Telozyten und Trophozyten mit ihren spezifischen Funktionen wider. Telozyten und Trophozyten weisen eine polarisierte Verteilung von BMP-Molekülen entlang der Kryptenachse auf, die für die Entwicklung von Signalgradienten und zellulärer Differenzierung entlang der Kryptenachse wichtig ist. Darüber hinaus stellte ich fest, dass Epithelzellen, die die Stammzellnische verlassen, eine Bmp2-Expression auslösen, welche durch eine positive Vorwärtsschleife weiter verstärkt wird, sodass die zelluläre Differenzierung zunimmt. Bmp2 aus differenzierten Epithelzellen induziert einen funktionellen Übergang der Stromazellen aus dem Trophozytenzustand in den Telozytenzustand, der das BMP-Signal durch die Expression von Bmp2 selbst weiter stabilisiert. Mit genetisch heterogenen Assembloiden konnte ich nachweisen, dass die Aktivierung des BMP-Signals im Epithel als auch im Stroma für die ordnungsgemäße Spezialisierung der Epithelzellen und die Bildung der Krypten unerlässlich ist. Zusammenfassend zeigt diese Studie eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Epithel und dem umgebenden Stroma. Einerseits stellt das Stroma wichtige Wachstumsfaktoren bereit, die für die Kryptenbildung erforderlich sind, andererseits sorgen Signale aus dem Epithel für eine funktionale Kompartimentierung von Stromazellsubtypen – beides sind wichtige Voraussetzungen für die Selbstorganisation der Schleimhaut.
