Abstract During embryogenesis, paracrine signaling between tissues in close proximity contributes to the determination of their respective cell fate(s) and development into functional organs. Organoids are in vitro models that mimic organ formation and cellular heterogeneity, but lack the paracrine input of surrounding tissues. Here, we describe a human multilineage iPSC-derived organoid that recapitulates cooperative cardiac and gut development and displays extensive cellular and structural complexity of both tissues. We demonstrate that the presence of endoderm tissue (gut/intestine) in multilineage organoids contributed to the development of the cardiac tissue, specifically cardiomyocyte expansion, compartmentalization, enrichment of atrial/nodal cells, myocardial compaction and functional fetal-like maturation. Overall, this study demonstrates the ability to generate specific cooperative tissues originating from different germ lineages within a single organoid model, an advance that will further the examination of multi-tissue interactions during development and disease.

Chronic inflammation and tissue fibrosis are common stress responses that worsen organ function, yet the molecular mechanisms governing their crosstalk are poorly understood. In diseased organs, stress-induced changes in gene expression fuel maladaptive cell state transitions and pathological interaction between diverse cellular compartments. Although chronic fibroblast activation worsens dysfunction of lung, liver, kidney, and heart, and exacerbates many cancers, the stress-sensing mechanisms initiating the transcriptional activation of fibroblasts are not well understood. Here, we show that conditional deletion of the transcription co-activator Brd4 in Cx3cr1-positive myeloid cells ameliorates heart failure and is associated with a dramatic reduction in fibroblast activation. Analysis of single-cell chromatin accessibility and BRD4 occupancy in vivo in Cx3cr1-positive cells identified a large enhancer proximal to Interleukin-1 beta (Il1b), and a series of CRISPR deletions revealed the precise stress-dependent regulatory element that controlled expression of Il1b in disease. Secreted IL1B functioned non-cell autonomously to activate a p65/RELA-dependent enhancer near the transcription factor MEOX1, resulting in a profibrotic response in human cardiac fibroblasts. In vivo, antibody-mediated IL1B neutralization prevented stress-induced expression of MEOX1, inhibited fibroblast activation, and improved cardiac function in heart failure. The elucidation of BRD4-dependent crosstalk between a specific immune cell subset and fibroblasts through IL1B provides new therapeutic strategies for heart disease and other disorders of chronic inflammation and maladaptive tissue remodeling.

Abstract In diseased organs, stress-activated signaling cascades alter chromatin, triggering broad shifts in transcription and cell state that exacerbate pathology. Fibroblast activation is a common stress response that worsens lung, liver, kidney and heart disease, yet its mechanistic basis remains poorly understood 1,2 . Pharmacologic inhibition of the BET family of transcriptional coactivators alleviates cardiac dysfunction and associated fibrosis, providing a tool to mechanistically interrogate maladaptive fibroblast states and modulate their plasticity as a potential therapeutic approach 3–8 . Here, we leverage dynamic single cell transcriptomic and epigenomic interrogation of heart tissue with and without BET inhibition to reveal a reversible transcriptional switch underlying stress-induced fibroblast activation. Transcriptomes of resident cardiac fibroblasts demonstrated robust and rapid toggling between the quiescent fibroblast and activated myofibroblast state in a manner that directly correlated with BET inhibitor exposure and cardiac function. Correlation of single cell chromatin accessibility with cardiac function revealed a novel set of reversibly accessible DNA elements that correlated with disease severity. Among the most dynamic elements was an enhancer regulating the transcription factor MEOX1, which was specifically expressed in activated myofibroblasts, occupied putative regulatory elements of a broad fibrotic gene program, and was required for TGFβ-induced myofibroblast activation. CRISPR interference of the most dynamic cis -element within the enhancer, marked by nascent transcription, prevented TGFβ-induced activation of Meox1 . These findings identify MEOX1 as a central regulator of stress-induced myofibroblast activation associated with cardiac dysfunction. The plasticity and specificity of the BET-dependent regulation of MEOX1 in endogenous tissue fibroblasts provides new trans - and cis - targets for treating fibrotic disease.

SUMMARY Congenital heart disease (CHD) is present in 1% of live births, yet identification of causal mutations remains a challenge despite large-scale genomic sequencing efforts. We hypothesized that genetic determinants for CHDs may lie in protein interactomes of GATA4 and TBX5, two transcription factors that cause CHDs. Defining their interactomes in human cardiac progenitors via affinity purification-mass spectrometry and integrating results with genetic data from the Pediatric Cardiac Genomic Consortium revealed an enrichment of de novo variants among proteins that interact with GATA4 or TBX5. A consolidative score that prioritized interactome members based on variant, gene, and proband features identified likely CHD-causing genes, including the epigenetic reader GLYR1. GLYR1 and GATA4 widely co-occupied cardiac developmental genes, resulting in co-activation, and the GLYR1 missense variant associated with CHD disrupted interaction with GATA4. This integrative proteomic and genetic approach provides a framework for prioritizing and interrogating the contribution of genetic variants in disease.

Communication between myriad cell types during organ formation underlies proper morphogenesis 1 . In cardiac development, reciprocal signaling between mesoderm progenitors and neural crest cells is essential, and its disruption leads to congenital heart malformations, the most common human birth defect. However, mechanistic interrogation of temporal gene networks and cis regulatory elements in this crosstalk is limited 2,3 . Here, we integrated single cell chromatin accessibility and transcriptomics to establish an unbiased and temporal epigenomic map of the embryonic mouse heart over multiple stages and developed machine learning models to predict enhancers for heart and neural crest. We leveraged these advances to determine the consequences of dysregulated signaling at single cell resolution caused by deletion of TBX1, a transcription factor that causes morphogenetic defects of the cardiac outflow tract in humans and functions non-cell autonomously in cardiac mesodermal progenitors to direct pharyngeal neural crest differentiation 4–6 . Loss of Tbx1 in mice led to broad closure of chromatin regions enriched in cardiac progenitor transcription factor motifs within a narrow subset of cardiac mesodermal progenitors and correlated with diminished expression of numerous members of the fibroblast growth factor, retinoic acid, Notch and Semaphorin pathways. In affected progenitors, ectopic accessibility and expression of posterior heart field factors in the anterior heart field suggested impaired axial patterning. In response, a subset of cardiac neural crest cells displayed epigenomic and transcriptional defects, indicating a failure of differentiation corresponding to dysregulation of the anterior-posterior gradient of pharyngeal Hox gene expression. This study demonstrates that single-cell genomics and machine learning can generate a mechanistic model for how disruptions in cell communication selectively affect spatiotemporally dynamic regulatory networks in cardiogenesis.

Small molecule inhibitors of the acetyl-histone binding protein BRD4 have been shown to block cardiac fibrosis in pre-clinical models of heart failure (HF). However, the mechanisms by which BRD4 promotes pathological myocardial fibrosis remain unclear. Here, we demonstrate that BRD4 functions as an effector of TGF-β signaling to stimulate conversion of quiescent cardiac fibroblasts into Periostin (Postn)-positive cells that express high levels of extracellular matrix. BRD4 undergoes stimulus-dependent, genome-wide redistribution in cardiac fibroblasts, becoming enriched on a subset of enhancers and super-enhancers, and leading to RNA polymerase II activation and expression of downstream target genes. Employing the SERTA domain-containing protein 4 (Sertad4) locus as a prototype, we demonstrate that dynamic chromatin targeting of BRD4 is controlled, in part, by p38 mitogen-activated protein kinase, and provide evidence of a novel function for Sertad4 in TGF-β-mediated cardiac fibroblast activation. These findings define BRD4 as a central regulator of the pro-fibrotic cell state of cardiac fibroblasts, and establish a signaling circuit for epigenetic reprogramming in HF.

Determining genes orchestrating cell identity and function in development and disease remains a fundamental goal of cell biology. This study establishes a genome-wide metric based on the gene-repressive tri-methylation of histone 3 lysine 27 as deposited in over 100 human cell states from representative tissues and cell lines. On its own, the tendency of broad H3K27me3 occupancy at promoters strongly enriches for genes that drive cell diversification and fates. We show that the discordance between this repressive tendency and the abundance of expressed transcripts of any somatic cell type prioritizes cell type-specific regulatory genes in health and disease. We implement this repression-based regulatory logic to identify genetic drivers of cell identity across millions of genome-wide single cell transcriptomes, diverse omics platforms, and eukaryotic cells and tissue types. Its potential for novel gene discovery is demonstrated by experimentally validated predictions of previously unknown drivers of organ differentiation in two eukaryotic species, humans and Ciona . This simple and quantifiable regulatory inference analysis provides a novel and scalable computational approach to determine drivers of cell diversification and fates of any cell type from gene output alone.

Gene regulatory networks control tissue plasticity during basal homeostasis and disease in a cell-type specific manner. Ubiquitously expressed chromatin regulators modulate these networks, yet the mechanisms governing how tissue-specificity of their function is achieved are poorly understood. BRD4, a member of the BET (Bromo- and Extra-Terminal domain) family of ubiquitously expressed acetyl-lysine reader proteins, plays a pivotal role as a coactivator of enhancer signaling across diverse tissue types in both health and disease, and has been implicated as a pharmacologic target in heart failure. However, the cell-specific role of BRD4 in adult cardiomyocytes remains unknown. Here, we show that cardiomyocyte-specific deletion of BRD4 in adult mice leads to acute deterioration of cardiac contractile function with mutant animals demonstrating a transcriptomic signature enriched for decreased expression of genes critical for mitochondrial energy production. Genome-wide occupancy data show that BRD4 enriches at many downregulated genes and preferentially co-localizes with GATA4, a lineage determining cardiac transcription factor not previously implicated in regulation of adult cardiac metabolism. Co-immunoprecipitation assays demonstrate that BRD4 and GATA4 form a complex in a bromodomain-independent manner, revealing a new interaction partner for BRD4 that has functional consequences for target transactivation and may allow for locus and tissue specificity. These results highlight a novel role for a BRD4-GATA4 module in cooperative regulation of a cardiomyocyte specific gene program governing bioenergetic homeostasis in the adult heart.### Competing Interest StatementD.S. is scientific co-founder, shareholder and director of Tenaya Therapeutics. S.M.H. is an executive, officer, and shareholder of Amgen, Inc. and is a scientific co-founder and shareholder of Tenaya Therapeutics.

Birth defects occur in ∼6% of all live births and can be caused by combinations of genetic and environmental influences 1 . Large-scale DNA sequencing efforts are revealing genetic influences 2,3 , but investigations into the contributions of environmental factors have largely been limited to association studies with limited mechanistic insight. Hyperglycemia present in pre-gestational diabetic mothers is among the most frequent environmental contributor to congenital defects and results in an increased incidence of congenital heart defects and craniofacial anomalies 4 . However, the cell types involved and underlying mechanisms by which maternal hyperglycemia affects these regions are unknown. Here, we utilized multi-modal single cell analyses to reveal that maternal diabetes affects the epigenomic and transcriptomic state of specific subsets of cardiac and craniofacial progenitors during embryogenesis. A previously unrecognized subpopulation of anterior heart field progenitors expressing Alx3 acquired a more posterior identity in response to maternal hyperglycemia, based on gene expression and chromatin status. Similarly, a sub-population of neural crest-derived cells in the second pharyngeal arch, which contributes to craniofacial structures, also displayed abnormalities in cell specification and patterning. Analysis of differentially accessible chromatin regions demonstrated that disrupted patterning was associated with increased intrinsic retinoic acid signaling in affected cell types in response to maternal diabetes and hyperglycemia. This work demonstrates how an environmental insult can have highly selective epigenomic consequences on discrete cell types leading to developmental patterning defects.