Abstract The anteroposterior axial identity of motor neurons (MNs) determines their functionality and vulnerability to neurodegeneration. Thus it is a critical parameter in the design of strategies aiming to produce MNs from human pluripotent stem cells (hPSCs) for regenerative medicine and disease modelling applications. However, the in vitro generation of posterior spinal cord MNs has been challenging. Although the induction of cells resembling neuromesodermal progenitors (NMPs), the bona fide precursors of the mammalian spinal cord, offers a promising solution, the progressive specification of posterior MNs from these cells is not well-defined. Here we determine the signals guiding the transition of human NMP-like cells toward posterior ventral spinal cord neurectoderm. We show that combined WNT-FGF activities drive a posterior dorsal early neural state while suppression of TGFβ-BMP signalling pathways, combined with SHH stimulation, promotes a ventral identity. Based on these results, we define an optimised protocol for the generation of posterior MNs that can efficiently integrate within the neural tube of chick embryos. We expect that our findings will facilitate the functional comparison of hPSC-derived spinal cord cells of distinct axial identities.

Culture-acquired variants in human pluripotent stem cells (hPSCs) hinder their applications in research and clinic. However, the mechanisms that underpin selection of variants remain unclear. Here, through analysis of comprehensive karyotyping datasets from over 23,000 hPSC cultures of more than 1,500 lines, we explored how culture conditions shape variant selection. Strikingly, we identified an association of chromosome 1q gains with feeder-free cultures and noted a rise in its prevalence in recent years, coinciding with increased usage of feeder-free regimens. Competition experiments of multiple isogenic lines with and without a chromosome 1q gain confirmed that 1q variants have an advantage in feeder-free (E8/vitronectin), but not feeder-based, culture. Mechanistically, we show that overexpression of MDM4, located on chromosome 1q, drives variants' advantage in E8/vitronectin by alleviating genome damage-induced apoptosis, which is lower in feeder-based conditions. Our study explains condition-dependent patterns of hPSC aberrations and offers insights into the mechanisms of variant selection.

Abstract Copy number variants (CNVs) are genomic rearrangements implicated in numerous congenital and acquired diseases, including cancer. In human pluripotent stem cells (PSC), the appearance of culture-acquired CNVs prompted concerns for their use in regenerative medicine applications. A particularly common problem in PSC is the occurrence of CNVs in the q11.21 region of chromosome 20. However, the exact mechanisms of origin of this amplicon remains elusive due to the difficulty in delineating its sequence and breakpoints. Here, we used long-range Nanopore sequencing on two examples of this CNV, present as a duplication in one and a triplication in another line. The CNVs were arranged in a head-to-tail orientation in both lines, with sequences of microhomologies flanking or overlapping both the proximal and distal breakpoints. These breakpoint signatures point to a specific mechanism of template switching in CNV formation, with surrounding Alu sequences likely contributing to the instability of this genomic region.

We postulate that exit from pluripotency involves intermediates that retain pluripotency while simultaneously exhibiting lineage-bias. Using a MIXL1 reporter, we explored mesoderm lineage-bias within the human pluripotent stem cell compartment. We identified a substate, which at the single cell level coexpresses pluripotent and mesodermal gene expression programs. Functionally these cells could initiate stem cell cultures and exhibited mesodermal bias in differentiation assays. By promoting mesodermal identity through manipulation of WNT signalling while preventing exit from pluripotency using lysophosphatidic acid, we could "trap" and maintain cells in a lineage-biased stem cell state through multiple passages. These cells correspond to a normal state on the differentiation trajectory, the plasticity of which is evidenced by their reacquisition of an unbiased state upon removal of differentiation cues. The use of "cross-antagonistic" signalling to trap pluripotent stem cell intermediates with different lineage-bias may have general applicability in the efficient production of cells for regenerative medicine.

The changes that drive differentiation create a large potential for the emergence of abnormal cells that need to be removed before they contribute to further development or the germline. This removal is in part achieved by cells becoming hypersensitive to death upon exit of naive pluripotency. What causes this change in apoptotic response is unknown. Here we identify that it is controlled by the regulator of mitochondrial dynamics DRP1. We show that in mouse, naive pluripotent cells have fragmented mitochondria due to high DRP1-mediated fission, but upon differentiation, DRP1 activity decreases, inducing mitochondria to fuse and form complex networks. We demonstrate that this decrease in DRP1 activity lowers the apoptotic threshold, as mutation of DRP1 increases the sensitivity to cell death and its over-expression protects against apoptosis. Together, our findings highlight how regulation of mitochondrial dynamics allows cells to adapt their apoptotic response to the changing environment of differentiation.

Since the first derivation of human pluripotent stem cells (hPSCs), the number of culture conditions has steadily increased, making hPSC culture more facile. Nonetheless, there remains the persistent issue of culture-acquired genetic changes, hampering the reproducibility of hPSC research and jeopardising their clinical use. Here, we utilised comprehensive karyotyping datasets from over 20,000 hPSC cultures sampled under different conditions to ascertain association of genetic changes with specific culture regimens. We found condition-dependent patterns of aberrations, with higher prevalence of chromosome 1q gains in recent years, associated with increased use of contemporary, feeder-free cultures. Mechanistically, we show the context-dependent selection of 1q variants is mainly driven by MDM4, a gene amplified in many cancers, located on chromosome 1q. To facilitate reproducibility of hPSC research and their safe clinical utility, we provide a unique hPSC karyotype resource for informing the risk assessment of genetic aberrations and developing strategies to suppress their occurrence.

SUMMARY The genetic integrity of pluripotent stem cells (PSC) is integral to their applications in research and therapy, but it is compromised by frequent development of copy number variations. Little is known about the basis of the variable genomic integrity among different PSC lines. Here we identify aneuploidies using RNA-seq and proteomics data from a panel of mouse embryonic stem cell (mESC) lines derived from 170 Diversity Outbred mice. We identified 62 lines with detectable aneuploid subpopulations and a subset of originally XX lines that lost one Chromosome X (XO). Strikingly, a much lower proportion of XX lines were aneuploid, compared to XY or XO lines. Two single-cell RNA-seq data sets demonstrated that aneuploid XY DO mESC also show lower Chromosome X gene expression and that XY mESC accumulate higher aneuploid proportions in culture than isogenic XX lines. Possible mechanisms for this protective effect of X chromosome dosage include our discovery that the lines with two active X Chromosomes have a higher expression of 2-cell-like state genes, and differential expression of X-linked tumor suppressor genes associated with DNA damage response. Highlights First genetic analysis of predisposition to aneuploidy in pluripotent stem cell cultures Chromosomal regions duplicated in aneuploid mouse embryonic stem cells are syntenic with regions overrepresented in human pluripotent stem cell lines bearing recurrent genetic abnormalities X-Chromosome dosage strongly influences susceptibility to aneuploidy in mouse embryonic stem cells and to a lesser degree in human pluripotent stem cells XX mouse embryonic stem cell lines show a higher proportion of cells in 2 cell-like state and higher expression of tumor suppressor genes associated with DNA damage response

Abstract Early childhood tumours arise from transformed embryonic cells, which often carry large copy number alterations (CNA). However, it remains unclear how CNAs contribute to embryonic tumourigenesis due to a lack of suitable models. Here we employ female human embryonic stem cell (hESC) differentiation and single-cell transcriptome and epigenome analysis to assess the effects of chromosome 17q/1q gains, which are prevalent in the embryonal tumour neuroblastoma (NB). We show that CNAs impair the specification of trunk neural crest (NC) cells and their sympathoadrenal derivatives, the putative cells-of-origin of NB. This effect is exacerbated upon overexpression of MYCN , whose amplification co-occurs with CNAs in NB. Moreover, CNAs potentiate the pro-tumourigenic effects of MYCN and mutant NC cells resemble NB cells in tumours. These changes correlate with a stepwise aberration of developmental transcription factor networks. Together, our results sketch a mechanistic framework for the CNA-driven initiation of embryonal tumours.

Abstract Integrator cleaves nascent RNA, triggering RNA polymerase II transcription termination, but how cleavage is regulated is poorly understood. Here we show hnRNPUL1 ensures efficient Integrator-mediated cleavage of nascent RNA downstream of snRNA genes and, in the case of U2 snRNA, binds a terminal stem-loop involved in this process. In the nucleoplasm, hnRNPUL1 binds U4 snRNA and SART3 and enables efficient reformation of the U4:U6 di-snRNP for further rounds of pre-mRNA splicing. Sustained hnRNPUL1 loss leads to reduced levels of snRNAs, defects in histone mRNA 3′ end processing and loss of Cajal bodies. hnRNPUL1 binds RNA through multiple domains, including a globular central domain comprising tightly juxtaposed SPRY and dead polynucleotide kinase folds. This latter fold allows binding to 5′-monophosphorylated RNAs in a mutually exclusive manner with ATP binding and functions as an XRN2 antagonist when overexpressed. We identify a cohort of amyotrophic lateral sclerosis patients harbouring disruptive mutations in hnRNPUL1. SMN loss in spinal muscular atrophy and hnRNPUL1 loss both disrupt snRNP biogenesis, leading to motor neuron death, suggesting a common aetiology.

The appearance of genetic changes in human pluripotent stem cells (hPSCs) presents a concern for their use in research and regenerative medicine. Variant hPSCs harbouring recurrent culture-acquired aneuploidies display growth advantages over wild-type diploid cells, but the mechanisms yielding a drift from predominantly wild-type to variant cell populations remain poorly understood. Here we show that the dominance of variant clones in mosaic cultures is enhanced through competitive interactions resulting in elimination of wild-type cells. This elimination occurs through corralling and mechanical compression by faster growing variants, causing a redistribution of F-actin and sequestration of YAP in the cytoplasm that induces apoptosis in wild-type cells. Importantly, YAP overexpression in wild-type cells is sufficient to alleviate their loser phenotype. Our results demonstrate that hPSC fate is coupled to mechanical cues imposed by neighbouring cells and reveal that hijacking this mechanism allows variants to achieve clonal dominance in cultures.