In mammals, cytosine methylation is predominantly restricted to CpG dinucleotides and stably distributed across the genome, with local, cell-type-specific regulation directed by DNA binding factors. This comparatively static landscape is in marked contrast with the events of fertilization, during which the paternal genome is globally reprogrammed. Paternal genome demethylation includes the majority of CpGs, although methylation remains detectable at several notable features. These dynamics have been extensively characterized in the mouse, with only limited observations available in other mammals, and direct measurements are required to understand the extent to which early embryonic landscapes are conserved. We present genome-scale DNA methylation maps of human preimplantation development and embryonic stem cell derivation, confirming a transient state of global hypomethylation that includes most CpGs, while sites of residual maintenance are primarily restricted to gene bodies. Although most features share similar dynamics to those in mouse, maternally contributed methylation is divergently targeted to species-specific sets of CpG island promoters that extend beyond known imprint control regions. Retrotransposon regulation is also highly diverse, and transitions from maternally to embryonically expressed elements. Together, our data confirm that paternal genome demethylation is a general attribute of early mammalian development that is characterized by distinct modes of epigenetic regulation.

The authors surveyed whole-exome and RNA-sequencing data from 252 unique pluripotent stem cell lines, some of which are in the pipeline for clinical use, and found that approximately 5% of cell lines had acquired mutations in the TP53 gene that allow mutant cells to rapidly outcompete non-mutant cells, but do not prevent differentiation. Copy number variants at particular genomic locations have been shown to arise in human pluripotent stem cells (hPSCs) under certain culture conditions, but the extent of acquired mutations in such culture remains to be determined. Kevin Eggan and colleagues surveyed the exomes of 140 human embryonic stem cell (hESC) lines, some of which are in the pipeline for clinical use.They identified mosaic mutations in the TP53 gene in a subset of cells for five unrelated hESC lines and show that the cells carrying the mutations outcompeted the non-mutant cells and could readily differentiate. Similar mutations were also identified by mining published datasets for an additional 14 hESC lines and more than 100 human induced PSC lines. The study highlights the need for in-depth characterization of cells derived from hPSCs before their use in the clinic. Human pluripotent stem cells (hPS cells) can self-renew indefinitely, making them an attractive source for regenerative therapies. This expansion potential has been linked with the acquisition of large copy number variants that provide mutated cells with a growth advantage in culture1,2,3. The nature, extent and functional effects of other acquired genome sequence mutations in cultured hPS cells are not known. Here we sequence the protein-coding genes (exomes) of 140 independent human embryonic stem cell (hES cell) lines, including 26 lines prepared for potential clinical use4. We then apply computational strategies for identifying mutations present in a subset of cells in each hES cell line5. Although such mosaic mutations were generally rare, we identified five unrelated hES cell lines that carried six mutations in the TP53 gene that encodes the tumour suppressor P53. The TP53 mutations we observed are dominant negative and are the mutations most commonly seen in human cancers. We found that the TP53 mutant allelic fraction increased with passage number under standard culture conditions, suggesting that the P53 mutations confer selective advantage. We then mined published RNA sequencing data from 117 hPS cell lines, and observed another nine TP53 mutations, all resulting in coding changes in the DNA-binding domain of P53. In three lines, the allelic fraction exceeded 50%, suggesting additional selective advantage resulting from the loss of heterozygosity at the TP53 locus. As the acquisition and expansion of cancer-associated mutations in hPS cells may go unnoticed during most applications, we suggest that careful genetic characterization of hPS cells and their differentiated derivatives be carried out before clinical use.

Summary

 Although distinct human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines can display considerable epigenetic variation, it has been unclear whether such variability impacts their utility for disease modeling. Here, we show that although low-passage female hiPSCs retain the inactive X chromosome of the somatic cell they are derived from, over time in culture they undergo an "erosion" of X chromosome inactivation (XCI). This erosion of XCI is characterized by loss of XIST expression and foci of H3-K27-trimethylation, as well as transcriptional derepression of genes on the inactive X that cannot be reversed by either differentiation or further reprogramming. We specifically demonstrate that erosion of XCI has a significant impact on the use of female hiPSCs for modeling Lesch-Nyhan syndrome. However, our finding that most genes subject to XCI are derepressed by this erosion of XCI suggests that it should be a significant consideration when selecting hiPSC lines for modeling any disease.

Abstract A hallmark pathological feature of the neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord 1 . A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing 2–4 . Single nucleotide polymorphisms in UNC13A are among the strongest hits associated with FTD and ALS in human genome-wide association studies 5,6 , but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon-splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines and motor neurons derived from induced pluripotent stem cells resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. The top variants associated with FTD or ALS risk in humans are located in the intron harbouring the cryptic exon, and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD and ALS ( UNC13A genetic variants), and loss of TDP-43 function.

With the potential to give rise to all somatic cell types, human embryonic stem cells (hESC) have generated enormous interest as agents of cell replacement therapy. One potential limitation is their safety in vivo. Although several studies have focused on concerns over genomic stability ex vivo, few have analyzed epigenetic stability. Here, we use tools of the epigenetic phenomenon, X-chromosome inactivation (XCI), to investigate their epigenetic properties. Among 11 distinct hESC lines, we find a high degree of variability. We show that, like mouse ESC, hESC in principle have the capacity to recapitulate XCI when induced to differentiate in culture (class I lines). However, this capacity is seen in few hESC isolates. Many hESC lines have already undergone XCI (class II and III). Unexpectedly, there is a tendency to lose XIST RNA expression during culture (class III). Despite losing H3-K27 trimethylation, the inactive X of class III lines remains transcriptionally suppressed, as indicated by Cot-1 RNA exclusion. We conclude that hESC lines are subject to dynamic epigenetic reprogramming ex vivo. Given that XCI and cell differentiation are tightly linked, we consider implications for hESC pluripotency and differentiation potential.

A hallmark pathological feature of neurodegenerative diseases amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD) is the depletion of RNA-binding protein TDP-43 from the nucleus of neurons in the brain and spinal cord. A major function of TDP-43 is as a repressor of cryptic exon inclusion during RNA splicing. Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in UNC13A are among the strongest genome-wide association study (GWAS) hits associated with FTD/ALS in humans, but how those variants increase risk for disease is unknown. Here we show that TDP-43 represses a cryptic exon splicing event in UNC13A . Loss of TDP-43 from the nucleus in human brain, neuronal cell lines, and iPSC-derived motor neurons resulted in the inclusion of a cryptic exon in UNC13A mRNA and reduced UNC13A protein expression. Remarkably, the top variants associated with FTD/ALS risk in humans are located in the cryptic exon harboring intron itself and we show that they increase UNC13A cryptic exon splicing in the face of TDP-43 dysfunction. Together, our data provide a direct functional link between one of the strongest genetic risk factors for FTD/ALS ( UNC13A genetic variants) and loss of TDP-43 function.