Abstract Dynamic restructuring of chromatin architecture has been implicated in cell-type specific gene regulatory programs; yet, how chromatin remodels during lineage specification remains to be elucidated. Through interrogating chromatin reorganization during human cardiomyocyte differentiation, we uncover dynamic chromatin interactions between genes and distal regulatory elements harboring noncoding variants associated with adult and congenital heart diseases. Unexpectedly, we also discover a new class of human pluripotent stem cell (PSC)-specific topologically associating domains (TAD) that are created by the actively transcribed endogenous retrotransposon HERV-H. Deletion or silencing of specific HERV-H elements eliminates corresponding TAD boundaries, while de novo insertion of HERV-H can introduce new chromatin domain boundaries in human PSCs. Furthermore, comparative analysis of chromatin architecture in other species that lack HERV-H sequences supports a role for actively transcribed HERV-H in demarcating human PSC-specific TADs. The biological role of HERV-H is further underscored by the observation that deletion of a specific HERV-H reduces transcription of genes upstream and facilitates cell differentiation. Overall, our results highlight a previously unrecognized role for retrotransposons in restructuring genome architecture in the human genome and delineate dynamic gene regulatory networks during cardiomyocyte development that inform how non-coding genetic variants contribute to human heart diseases.

Abstract Here we report that a chemical cocktail (LCDM: h L IF, C HIR99021, D iM and M iH) previously used for extended potential pluripotent stem cells enables the de novo derivation and long-term culture of bovine trophoblast stem cells (TSCs). Bovine TSCs exhibit transcriptomic and epigenetic features characteristic of trophectoderm cells from bovine embryos and retain developmental potency to differentiate into mature trophoblast cells.

ABSTRACT MicroRNAs (miRNAs), which play critical roles in gene regulatory networks, have emerged as promising diagnostic and prognostic biomarkers for human cancer. In particular, circulating miRNAs that are secreted into circulation exist in remarkably stable forms, and have enormous potential to be leveraged as non-invasive biomarkers for early cancer detection. Novel and user-friendly tools are desperately needed to facilitate data mining of the vast amount of miRNA expression data from The Cancer Genome Atlas (TCGA) and large-scale circulating miRNA profiling studies. To fill this void, we developed CancerMIRNome, a comprehensive database for the interactive analysis and visualization of miRNA expression profiles based on 10,998 samples from 33 TCGA projects and 21,993 samples from 40 public circulating miRNome datasets. A series of cutting-edge bioinformatics tools and machine learning algorithms have been packaged in CancerMIRNome, allowing for the pan-cancer analysis of a miRNA of interest across multiple cancer types and the comprehensive analysis of miRNome profiles to identify dysregulated miRNAs and develop diagnostic or prognostic signatures. The data analysis and visualization modules will greatly facilitate the exploit of the valuable resources and promote translational application of miRNA biomarkers in cancer. The CancerMIRNome database is publicly available at http://bioinfo.jialab-ucr.org/CancerMIRNome .

SUMMARY Recent advances in human blastoids generated from naïve pluripotent stem cells have opened a new avenue for modelling early human development and implantation. Despite the success, however, existing protocols have several limitations, e.g., the use of custom-built microwell arrays impedes wide adoption by the research community, and mass production of human blastoids is hampered by low-output or low-efficiency methods. To address these issues, here we developed an optimized protocol based on commercially available microwell plates, which enabled efficient generation of high-fidelity human blastoids at a large scale. Leveraging on the improved protocol, we identified MAPK. PI3K/AKT and mTOR signaling pathways were activated in both blastoids and blastocyst, and discovered endometrial stromal effects in promoting trophoblast cell survival, proliferation and syncytialization during extended co-culture with blastoids. Our optimized protocol will facilitate broader use of human blastoids as an accessible, perturbable, scalable, tractable, and ethical model for human blastocysts.

Directed differentiation methods allow acquisition of high-purity cardiomyocytes (CMs) differentiated from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs); however, their immaturity characteristic limits their application for drug screening and regenerative therapy. The rapid electrical pacing of cardiomyocytes have been used for efficiently promoting the maturation of cardiomyocytes, here we describe a simple device in modified culture plate on which hiPSC-derived CMs (hiPSC-CMs) can form three-dimensional self-organized tissue rings (SOTRs). Using calcium imaging, we show that within the ring, traveling waves (TWs) of action potential spontaneously originated and ran robustly at a frequency up to 4 Hz. After 2 weeks, SOTRs with TW training showed matured features including structural organization, increased cardiac-specific gene expression, enhanced Ca2+-handling properties, an increased oxygen-consumption rate, and enhanced contractile force. We subsequently used a mathematical model to interpret the origination, propagation, and long-term behavior of the TWs within the SOTRs. This new idea for spontaneous hiPSC-CM maturation also has potential for pacing the electrical excitable cells such as neuron and retina cells for various applications.

Faithful embryogenesis requires precise coordination between embryonic and extraembryonic tissues. Although stem cells from embryonic and extraembryonic origins have been generated for several mammalian species(Bogliotti et al., 2018; Choi et al., 2019; Cui et al., 2019; Evans and Kaufman, 1981; Kunath et al., 2005; Li et al., 2008; Martin, 1981; Okae et al., 2018; Tanaka et al., 1998; Thomson et al., 1998; Vandevoort et al., 2007; Vilarino et al., 2020; Yu et al., 2021b; Zhong et al., 2018), they are grown in different culture conditions with diverse media composition, which makes it difficult to study cross-lineage communication. Here, by using the same culture condition that activates FGF, TGF-β and WNT signaling pathways, we derived stable embryonic stem cells (ESCs), extraembryonic endoderm stem cells (XENs) and trophoblast stem cells (TSCs) from all three founding tissues of mouse and cynomolgus monkey blastocysts. This allowed us to establish embryonic and extraembryonic stem cell co-cultures to dissect lineage crosstalk during early mammalian development. Co-cultures of ESCs and XENs uncovered a conserved and previously unrecognized growth inhibition of pluripotent cells by extraembryonic endoderm cells, which is in part mediated through extracellular matrix signaling. Our study unveils a more universal state of stem cell self-renewal stabilized by activation, as opposed to inhibition, of developmental signaling pathways. The embryonic and extraembryonic stem cell co-culture strategy developed here will open new avenues for creating more faithful embryo models and developing more developmentally relevant differentiation protocols.

Many neurodevelopmental defects are linked to perturbations in genes involved in housekeeping functions, such as those encoding ribosome biogenesis factors. However, how reductions in ribosome biogenesis can result in tissue and developmental specific defects remains a mystery. Here we describe new allelic variants in the ribosome biogenesis factor AIRIM primarily associated with neurodevelopmental disorders. Using human cerebral organoids in combination with proteomic analysis, single-cell transcriptome analysis across multiple developmental stages, and single organoid translatome analysis, we identify a previously unappreciated mechanism linking changes in ribosome levels and the timing of cell fate specification during early brain development. We find ribosome levels decrease during neuroepithelial differentiation, making differentiating cells particularly vulnerable to perturbations in ribosome biogenesis during this time. Reduced ribosome availability more profoundly impacts the translation of specific transcripts, disrupting both survival and cell fate commitment of transitioning neuroepithelia. Enhancing mTOR activity by both genetic and pharmacologic approaches ameliorates the growth and developmental defects associated with intellectual disability linked variants, identifying potential treatment options for specific brain ribosomopathies. This work reveals the cellular and molecular origins of protein synthesis defect-related disorders of human brain development.