Somatic cell nuclear transfer and transcription-factor-based reprogramming revert adult cells to an embryonic state, and yield pluripotent stem cells that can generate all tissues. Through different mechanisms and kinetics, these two reprogramming methods reset genomic methylation, an epigenetic modification of DNA that influences gene expression, leading us to hypothesize that the resulting pluripotent stem cells might have different properties. Here we observe that low-passage induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived by factor-based reprogramming of adult murine tissues harbour residual DNA methylation signatures characteristic of their somatic tissue of origin, which favours their differentiation along lineages related to the donor cell, while restricting alternative cell fates. Such an ‘epigenetic memory’ of the donor tissue could be reset by differentiation and serial reprogramming, or by treatment of iPSCs with chromatin-modifying drugs. In contrast, the differentiation and methylation of nuclear-transfer-derived pluripotent stem cells were more similar to classical embryonic stem cells than were iPSCs. Our data indicate that nuclear transfer is more effective at establishing the ground state of pluripotency than factor-based reprogramming, which can leave an epigenetic memory of the tissue of origin that may influence efforts at directed differentiation for applications in disease modelling or treatment. Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. Pluripotent stem cells can be generated in the laboratory through somatic cell nuclear transfer (generating nuclear transfer embryonic stem cells, ntESCs) or transcription-factor-based reprogramming (producing induced pluripotent stem cells, iPSCs). These methods reset the methylation signature of the genome — but to what extent? Here it is found that mouse iPSCs 'remember' the methylation status of their tissue of origin, but the methylation of ntESCs is more similar to that of naturally produced ES cells.

Although single-cell RNA sequencing studies have begun to provide compendia of cell expression profiles1-9, it has been difficult to systematically identify and localize all molecular cell types in individual organs to create a full molecular cell atlas. Here, using droplet- and plate-based single-cell RNA sequencing of approximately 75,000 human cells across all lung tissue compartments and circulating blood, combined with a multi-pronged cell annotation approach, we create an extensive cell atlas of the human lung. We define the gene expression profiles and anatomical locations of 58 cell populations in the human lung, including 41 out of 45 previously known cell types and 14 previously unknown ones. This comprehensive molecular atlas identifies the biochemical functions of lung cells and the transcription factors and markers for making and monitoring them; defines the cell targets of circulating hormones and predicts local signalling interactions and immune cell homing; and identifies cell types that are directly affected by lung disease genes and respiratory viruses. By comparing human and mouse data, we identified 17 molecular cell types that have been gained or lost during lung evolution and others with substantially altered expression profiles, revealing extensive plasticity of cell types and cell-type-specific gene expression during organ evolution including expression switches between cell types. This atlas provides the molecular foundation for investigating how lung cell identities, functions and interactions are achieved in development and tissue engineering and altered in disease and evolution.

Summary

 How are skeletal tissues derived from skeletal stem cells? Here, we map bone, cartilage, and stromal development from a population of highly pure, postnatal skeletal stem cells (mouse skeletal stem cells, mSSCs) to their downstream progenitors of bone, cartilage, and stromal tissue. We then investigated the transcriptome of the stem/progenitor cells for unique gene-expression patterns that would indicate potential regulators of mSSC lineage commitment. We demonstrate that mSSC niche factors can be potent inducers of osteogenesis, and several specific combinations of recombinant mSSC niche factors can activate mSSC genetic programs in situ, even in nonskeletal tissues, resulting in de novo formation of cartilage or bone and bone marrow stroma. Inducing mSSC formation with soluble factors and subsequently regulating the mSSC niche to specify its differentiation toward bone, cartilage, or stromal cells could represent a paradigm shift in the therapeutic regeneration of skeletal tissues.

Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. During haematopoiesis, multipotent progenitors differentiate into progressively restricted myeloid or lymphoid progenitors. A comprehensive genome-wide DNA methylation analysis of haematopoietic cell populations with well-characterized differentiation potentials reveals remarkable epigenetic plasticity during lymphoid and myeloid restriction. Epigenetic modifications must underlie lineage-specific differentiation as terminally differentiated cells express tissue-specific genes, but their DNA sequence is unchanged. Haematopoiesis provides a well-defined model to study epigenetic modifications during cell-fate decisions, as multipotent progenitors (MPPs) differentiate into progressively restricted myeloid or lymphoid progenitors. Although DNA methylation is critical for myeloid versus lymphoid differentiation, as demonstrated by the myeloerythroid bias in Dnmt1 hypomorphs1, a comprehensive DNA methylation map of haematopoietic progenitors, or of any multipotent/oligopotent lineage, does not exist. Here we examined 4.6 million CpG sites throughout the genome for MPPs, common lymphoid progenitors (CLPs), common myeloid progenitors (CMPs), granulocyte/macrophage progenitors (GMPs), and thymocyte progenitors (DN1, DN2, DN3). Marked epigenetic plasticity accompanied both lymphoid and myeloid restriction. Myeloid commitment involved less global DNA methylation than lymphoid commitment, supported functionally by myeloid skewing of progenitors following treatment with a DNA methyltransferase inhibitor. Differential DNA methylation correlated with gene expression more strongly at CpG island shores than CpG islands. Many examples of genes and pathways not previously known to be involved in choice between lymphoid/myeloid differentiation have been identified, such as Arl4c and Jdp2. Several transcription factors, including Meis1, were methylated and silenced during differentiation, indicating a role in maintaining an undifferentiated state. Additionally, epigenetic modification of modifiers of the epigenome seems to be important in haematopoietic differentiation. Our results directly demonstrate that modulation of DNA methylation occurs during lineage-specific differentiation and defines a comprehensive map of the methylation and transcriptional changes that accompany myeloid versus lymphoid fate decisions.

Mobilization of the T-cell response against cancer has the potential to achieve long-lasting cures. However, it is not known how to harness antigen-presenting cells optimally to achieve an effective antitumor T-cell response. In this study, we show that anti-CD47 antibody–mediated phagocytosis of cancer by macrophages can initiate an antitumor T-cell immune response. Using the ovalbumin model antigen system, anti-CD47 antibody–mediated phagocytosis of cancer cells by macrophages resulted in increased priming of OT-I T cells [cluster of differentiation 8-positive (CD8 + )] but decreased priming of OT-II T cells (CD4 + ). The CD4 + T-cell response was characterized by a reduction in forkhead box P3-positive (Foxp3 + ) regulatory T cells. Macrophages following anti-CD47–mediated phagocytosis primed CD8 + T cells to exhibit cytotoxic function in vivo . This response protected animals from tumor challenge. We conclude that anti-CD47 antibody treatment not only enables macrophage phagocytosis of cancer but also can initiate an antitumor cytotoxic T-cell immune response.

Summary

 Stem cell regulation and hierarchical organization of human skeletal progenitors remain largely unexplored. Here, we report the isolation of a self-renewing and multipotent human skeletal stem cell (hSSC) that generates progenitors of bone, cartilage, and stroma, but not fat. Self-renewing and multipotent hSSCs are present in fetal and adult bones and can also be derived from BMP2-treated human adipose stroma (B-HAS) and induced pluripotent stem cells (iPSCs). Gene expression analysis of individual hSSCs reveals overall similarity between hSSCs obtained from different sources and partially explains skewed differentiation toward cartilage in fetal and iPSC-derived hSSCs. hSSCs undergo local expansion in response to acute skeletal injury. In addition, hSSC-derived stroma can maintain human hematopoietic stem cells (hHSCs) in serum-free culture conditions. Finally, we combine gene expression and epigenetic data of mouse skeletal stem cells (mSSCs) and hSSCs to identify evolutionarily conserved and divergent pathways driving SSC-mediated skeletogenesis. 

Video Abstract

Summary

 Hematopoietic stem cells (HSCs) maintain homeostasis and regenerate the blood system throughout life. It has been postulated that HSCs may be uniquely capable of preserving their genomic integrity in order to ensure lifelong function. To directly test this, we quantified DNA damage in HSCs and downstream progenitors from young and old mice, revealing that strand breaks significantly accrue in HSCs during aging. DNA damage accumulation in HSCs was associated with broad attenuation of DNA repair and response pathways that was dependent upon HSC quiescence. Accordingly, cycling fetal HSCs and adult HSCs driven into cycle upregulated these pathways leading to repair of strand breaks. Our results demonstrate that HSCs are not comprehensively geno-protected during aging. Rather, HSC quiescence and concomitant attenuation of DNA repair and response pathways underlies DNA damage accumulation in HSCs during aging. These results provide a potential mechanism through which premalignant mutations accrue in HSCs.

Summary The stem cell theory that all blood cells are derived from hematopoietic stem cell (HSC) is a central dogma in hematology. However, various types of blood cells are already produced from hemogenic endothelial cells (HECs) before the first HSCs appear at embryonic day (E)11 in the mouse embryo. This early blood cell production from HECs, called HSC-independent hematopoiesis, includes primitive and definitive erythromyeloid progenitors that transiently support fetal blood homeostasis until HSC-derived hematopoiesis is established. Lymphoid potential has traditionally been detected in the extra-embryonic yolk sac (YS) and/or embryos before HSC emergence, but the actual presence of lymphoid progenitors at this stage remains unknown. In addition, whether HSCs in the fetal liver are the main source of innate-like B-1a cells has been controversial. Here, using complementary lineage tracing mouse models, we show that HSC-independent multipotent progenitors (MPPs) and HSC-independent adoptive B-lymphoid progenitors persist into adult life. Furthermore, HSCs minimally contribute to the peritoneal B-1a cell pool; most B-1a cells are originated directly from ECs in the YS and embryo and HSC-independent for life. Our discovery of extensive HSC-independent MPP and B-lymphoid progenitors in adults attests to the complex blood developmental dynamics through embryo to adult that underpin the immune system and challenges the paradigm of HSC theory in hematology.

Abstract Proteins can be modified by lipids in various ways, for example by myristoylation, palmitoylation, farnesylation, and geranylgeranylation—these processes are collectively referred to as lipidation. Current chemical proteomics using alkyne lipids has enabled the identification of lipidated protein candidates but does not identify endogenous lipidation sites and is not readily applicable to in vivo systems. Here, we introduce a proteomic methodology for global analyses of endogenous lipidation sites that combines liquid-liquid extraction of hydrophobic lipidated peptides with liquid chromatography-tandem mass spectrometry using a gradient program of acetonitrile in the high concentration range. We applied this method to explore lipidation sites in HeLa cells, and identified a total of 90 lipidation sites, including 75 protein N-terminal myristoylation sites, which is more than the number of high-confidence lipidated proteins identified by myristic acid analog-based chemical proteomics. Isolation of lipidated peptides from digests prepared with different proteases enabled the identification of different lipidated sites, extending the coverage. Moreover, our peptide-centric approach successfully identified dually modified peptides having myristoylation and palmitoylation. Finally, we analyzed in vivo myristoylation sites in mouse tissues and found that the lipidation profile is tissue-specific. This simple method (not requiring chemical labeling or affinity purification) should be a promising tool for global profiling of various protein lipidations.