ABSTRACT Gene expression heterogeneity in the pluripotent state of mouse embryonic stem cells (mESCs) has been increasingly well-characterized. In contrast, exit from pluripotency and lineage commitment have not been studied systematically at the single-cell level. Here we measured the gene expression dynamics of retinoic acid driven mESC differentiation using an unbiased single-cell transcriptomics approach. We found that the exit from pluripotency marks the start of a lineage bifurcation as well as a transient phase of susceptibility to lineage specifying signals. Our study revealed several transcriptional signatures of this phase, including a sharp increase of gene expression variability. Importantly, we observed a handover between two classes of transcription factors. The early-expressed class has potential roles in lineage biasing, the late-expressed class in lineage commitment. In summary, we provide a comprehensive analysis of lineage commitment at the single cell level, a potential stepping stone to improved lineage control through timing of differentiation cues.

ABSTRACT Intracellular inclusions accompanying neurodegeneration are histopathologically and ultrastructurally heterogeneous but the significance of this heterogeneity is unclear. iPSC models, while promising for disease modeling, do not form inclusions in a reasonable timeframe and suffer from limited tractability. Here, we developed an iPSC toolbox utilizing piggyBac-based or targeted transgenes to rapidly induce CNS cells with concomitant expression of aggregation-prone proteins. This system is amenable to screening and longitudinal tracking at single-cell and single-inclusion resolution. For proof-of-principle, cortical neuron α-synuclein “inclusionopathy” models were engineered to form inclusions through exogenous seeding or α-synuclein mutation. These models recapitulated known fibril- and lipid-rich inclusion subtypes, uncovering dynamic interactions between them, and refined the classification of inclusions in postmortem brain. Genetic-modifier and protein-interaction screens pinpointed proteins like RhoA whose sequestration into specific inclusion subtypes is likely to be toxic. This iPSC platform should enhance our understanding of proteinaceous pathologies in neurodegeneration and facilitate therapeutics development.

SARS-CoV-2 sequences can be reverse-transcribed and integrated into the genomes of virus-infected cells by a LINE1-mediated retrotransposition mechanism. Whole genome sequencing (WGS) methods detected retrotransposed SARS-CoV-2 subgenomic sequences in virus-infected cells overexpressing LINE1, while an enrichment method (TagMap) identified retrotranspositions in cells that did not overexpress LINE1. LINE1 overexpression increased retrotranspositions about 1,000-fold as compared to non-overexpressing cells. Nanopore WGS can directly recover retrotransposed viral and flanking host sequences but its sensitivity depends on the depth of sequencing (a typical 20-fold sequencing depth would only examine 10 diploid cell equivalents). In contrast, TagMap enriches for the host-virus junctions and can interrogate up to 20,000 cells and is able to detect rare viral retrotranspositions in LINE1 non-overexpressing cells. Although Nanopore WGS is 10 - 20-fold more sensitive per tested cell, TagMap can interrogate 1,000 - 2,000-fold more cells and therefore can identify infrequent retrotranspositions. When comparing SARS-CoV-2 infection and viral nucleocapsid mRNA transfection by TagMap, retrotransposed SARS-CoV-2 sequences were only detected in infected but not in transfected cells. Retrotransposition in virus-infected in contrast to transfected cells may be facilitated because virus infection in contrast to viral RNA transfection results in significantly higher viral RNA levels and stimulates LINE1-expression which causes cellular stress.

Abstract Studies on the function of Methyl CpG binding protein 2 (MECP2) and the consequence of MECP2 deficiency and duplication have largely focused on neurons. The function of MECP2 in human glia, along with the comprehensive understanding of glial function in neurodevelopmental disorders, is much less understood. Using female and male human embryonic stem cell (hESC) lines to model MECP2 loss-of-function (LOF) in Rett Syndrome (RTT) in the developing brain, we investigated the molecular underpinnings of astrocyte (AST) development and dysfunction, and the mechanisms by which AST contribute to neuronal activity. Here we show that hESC-derived RTT ASTs have fewer mitochondria yet similar levels of reactive oxygen species compared to isogenic controls (CTR). We identified significantly diminished mitochondrial respiration that was compensated by increased glycolysis, and that the molecular mechanism behind mitochondrial dysfunction were reduced key proteins around the tricarboxylic acid (TCA) cycle and electron transport chain (ETC). We found an increased abundance of cytosolic amino acids in RTT ASTs under basal conditions that was readily depleted when energy demands were increased. We determined that RTT AST can donate their mitochondria to hESC-derived cortical neurons, and that isolated mitochondria from RTT ASTs are sufficient to cause significant changes to neuronal activity, increasing local field potentials to a hyperexcitable state. To examine mitochondrial health in the developing brain, we derived cerebral organoids. Ultrastructural analysis indicated that mitochondria from RTT hESC-derived organoids were significantly smaller compared to mitochondria from CTR organoids, indicating decreased connectivity and function, and this phenotype was stronger in glia compared to neurons. Using a multiomics epigenetics approach, we found hallmarks of RTT developmental delay and glial specific gene expression changes that corroborate altered energy metabolism and mitochondrial dysfunction. Based on these results, we propose that release of dysfunctional mitochondria from RTT ASTs to neurons furthers pathophysiology of the syndrome.

Summary The capacity to generate functional hepatocytes from renewable human pluripotent stem cells (hPSCs) could address limited supplies of primary human hepatocytes. However, hepatocytes differentiated from hPSCs in vitro are functionally immature. To understand mechanisms regulating maturation of in vitro derived hepatocytes, we developed a 3D spheroid differentiation system and compared gene regulatory elements in uncultured human primary hepatocytes with those in hepatocytes that were differentiated in 2D or 3D conditions from human PSCs by RNA-seq, ATAC-seq, and H3K27Ac ChIP-seq. Three-dimensional differentiation improved enhancer activity and expression of transcription factor ONECUT1 , but was insufficient to upregulate human-specific mature hepatocytes marker gene CYP3A4 or super-enhancer regulated transcription factor gene NFIC . Regulome comparisons showed reduced enrichment of thyroid receptor THRB motifs in accessible chromatin and in active enhancers without reduced transcription of THRB , suggesting the regulation at the level of THRB ligands in PSC-differentiated hepatocytes. Addition of thyroid hormone T3 to the PSC-differentiated hepatocytes increased CYP3A4 expression. T3 increased binding of THRB to the CYP3A4 proximal enhancer and restored the super-enhancer status and gene expression of NFIC and reduced expression of AFP . The resultant hPSC-hepatocytes showed gene expression, epigenetic status and super-enhancer landscape closer to primary hepatocytes and activated regulatory regions including non-coding SNPs associated with liver-related diseases. Transplanting the 3D PSC-hepatocytes into immunocompromised mice resulted in engraftment of human hepatocytes in the mouse liver parenchyma without disrupting normal liver histology at 6 months after transplantation. This work provides insights into the functions of nuclear receptor THRB and highlights the importance of the environmental factors-nuclear receptors axis in regulating maturation of human PSC-differentiated cell types.

Abstract The complex 16p11.2 Deletion Syndrome (16pdel) is accompanied by neurological disorders, including epilepsy, autism spectrum disorder and intellectual disability. We demonstrate that 16pdel iPSC differentiated neurons showed augmented local field potential activity and altered ceramide-related lipid species relative to unaffected. FAM57B , a poorly characterized gene in the 16p11.2 interval, has emerged as a candidate tied to symptomatology. We found that FAM57B modulates ceramide synthase (CerS) activity, but is not a CerS per se. In FAM57B mutant human neuronal cells and zebrafish brain, composition and levels of sphingolipids and glycerolipids associated with cellular membranes are disrupted. Consistently, we observed aberrant plasma membrane architecture and synaptic protein mislocalization, which were accompanied by depressed brain and behavioral activity. Together, these results suggest that haploinsufficiency of FAM57B contributes to changes in neuronal activity and function in 16pdel Syndrome, through a crucial role for the gene in lipid metabolism.

CRISPR/Cas9 technology has revolutionized the production of animal models by reducing experimental timelines, slashing costs and streamlining gene editing, leading to a rapid expansion in the number of unique models for the study of human disease and gene function. However, most non-model animals, many of which are important in cancer and aging research, remain recalcitrant to genome engineering due to our limited understanding of their reproductive biology. Many wild rodents that transmit human diseases remain particularly challenging to engineer due to low pregnancy rates, the lack of external copulatory plugs, and susceptibility to premature termination of pregnancy. Here, we present low-cost activity-based estrous tracking for the efficient generation of timed pregnant and pseudopregnant white-footed mice and extend this tracking method to both lab mice and hamsters. Leveraging this technology, we demonstrate the generation of engineered Peromyscus leucopus , the primary reservoir for Lyme disease-causing bacteria and a putative model organism for studies of aging. These tools have broad implications for biomedical research and ecological engineering. Abstract Figure

The conserved Musashi (Msi) family of RNA binding proteins are expressed in stem/progenitor and cancer cells, but mostly absent from differentiated cells, consistent with a role in cell state regulation. We found that Msi genes are rarely mutated but frequently overexpressed in human cancers, and associated with an epithelial-luminal cell state. Using ribosome footprint profiling and RNA-seq analysis of genetic mouse models in neuronal and mammary cell types, we found that Msis regulate translation of genes implicated in epithelial cell biology and epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) and promote an epithelial splicing pattern. Overexpression of Msi proteins inhibited translation of genes required for EMT, including Jagged1, and repressed EMT in cell culture and in mammary gland in vivo, while knockdown in epithelial cancer cells led to loss of epithelial identity. Our results show that mammalian Msi proteins contribute to an epithelial gene expression program and promote an epithelial-luminal state in both neural and breast cell types.

Maternal Zika virus (ZIKV) infection during pregnancy is increasingly recognized as the cause of an epidemic of microcephaly and other neurological anomalies in human fetuses. However, it remains unclear how ZIKV gains access to the highly vulnerable population of neural progenitors of the fetal central nervous system (CNS), and which cell types of the CNS may serve as viral reservoirs. To model viral interaction with cells of the fetal CNS in vitro, we investigated the tropism of ZIKV for different iPS-derived human cells, with a particular focus on microglia-like cells derived from human pluripotent stem cells. We show that ZIKV infected isogenic neural progenitors, astrocytes and microglia-like cells, but was only cytotoxic to neural progenitors. Infected glial cells propagated the virus and maintained viral load over time, leading to viral spread to susceptible cells. ZIKV-infected microglia, when co-cultured with pre-established neural spheroids, invaded the tissue and initiated neural infection. Since microglia derive from primitive macrophages originating in anatomical proximity to the maternal vasculature of the placenta, we propose that they may act in vivo as a viral reservoir for ZIKV and, owing to their natural ability to traverse the embryo, can establish infection of the fetal brain. Infection of immature neural stem cells by invading microglia may occur in the early stages of pregnancy, before vascular circulation is established. Our data are also consistent with the virus affecting the integrity of the blood-brain barrier (BBB), which may allow infection of the brain at later stages.

Phelan-McDermid syndrome (also known as 22q13 deletion syndrome) is a syndromic form of autism spectrum disorder and currently thought to be caused by heterozygous loss of SHANK3. However, patients most frequently present with large chromosomal deletions affecting several additional genes. We used human pluripotent stem cell technology and genome editing to further dissect molecular and cellular mechanisms. We found that loss of JIP2 (MAPK8IP2) may contribute to a distinct neurodevelopmental phenotype in neural progenitors (NPCs) affecting neuronal maturation. This is most likely due to simultaneous misregulation of JNK proteins, leading to impaired generation of mature neurons. Furthermore, semaphorin signaling is compromised in patient NPCs and neurons. Pharmacological stimulation of neuropilin receptor 1 (NRP1) rescued impaired semaphorin pathway activity and JNK expression in patient neurons. Our results suggest a novel disease-specific mechanism involving the JIP/JNK complex and identify NRP1 as potential therapeutic target.