Merkel cells (MCs) are located in the touch-sensitive area of the epidermis and mediate mechanotransduction in the skin. Whether MCs originate from embryonic epidermal or neural crest progenitors has been a matter of intense controversy since their discovery >130 yr ago. In addition, how MCs are maintained during adulthood is currently unknown. In this study, using lineage-tracing experiments, we show that MCs arise through the differentiation of epidermal progenitors during embryonic development. In adults, MCs undergo slow turnover and are replaced by cells originating from epidermal stem cells, not through the proliferation of differentiated MCs. Conditional deletion of the Atoh1/Math1 transcription factor in epidermal progenitors results in the absence of MCs in all body locations, including the whisker region. Our study demonstrates that MCs arise from the epidermis by an Atoh1-dependent mechanism and opens new avenues for study of MC functions in sensory perception, neuroendocrine signaling, and MC carcinoma.

Abstract Totipotency is the ability of a single cell to give rise to all the differentiated cells that build the conceptus, yet how to capture this property in vitro remains incompletely understood. Defining totipotency relies upon a variety of assays of variable stringency. Here we describe criteria to define totipotency. We illustrate how distinct criteria of increasing stringency can be used to judge totipotency by evaluating candidate totipotent cell types in the mouse, including early blastomeres and expanded or extended pluripotent stem cells. Our data challenge the notion that expanded or extended pluripotent states harbor increased totipotent potential relative to conventional embryonic stem cells under in vivo conditions.

Background: Induction and reversal of chromatin silencing is critical for successful development, tissue homeostasis and the derivation of induced pluripotent stem cells (iPSCs). X-chromosome inactivation (XCI) and reactivation (XCR) in female cells represent chromosome-wide transitions between active and inactive chromatin states. While XCI has long been studied and provided important insights into gene regulation, the dynamics and mechanisms underlying the reversal of stable chromatin silencing of X-linked genes are much less understood. Here, we use allele-specific transcriptomic approaches to study XCR during mouse iPSC reprogramming in order to elucidate the timing and mechanisms of chromosome-wide reversal of gene silencing. Results: We show that XCR is hierarchical, with subsets of genes reactivating early, late and very late. Early genes are activated before the onset of late pluripotency genes activation and the complete silencing of the long non-coding RNA (lncRNA) Xist. These genes are located genomically closer to genes that escape XCI, unlike those reactivating late. Interestingly, early genes also show increased pluripotency transcription factor (TF) binding. We also reveal that histone deacetylases (HDACs) restrict XCR in reprogramming intermediates and that the severe hypoacetylation state of the Xi persists until late reprogramming stages. Conclusions: Altogether, these results reveal the timing of transcriptional activation of mono-allelically repressed genes during iPSC reprogramming, and suggest that allelic activation involves the combined action of chromatin topology, pluripotency transcription factors and chromatin regulators. These findings are important for our understanding of gene silencing, maintenance of cell identity, reprogramming and disease.

The Neurogenin (Ngn) transcription factors control early neurogenesis and neurite outgrowth in mammalian cortex. In contrast to their proneural activity, their function in neurite growth is poorly understood. Drosophila has a single predicted Ngn homologue called Tap, whose function is completely unknown. Here we show that Tap is not a proneural protein in Drosophila but is required for proper axonal growth and guidance of neurons of the mushroom body (MB), a neuropile required for associative learning and memory. Genetic and expression analyses suggest that Tap inhibits excessive axonal growth by fine regulation of the levels of the Wnt signaling adaptor protein, Dishevelled.

Injury to the adult central nervous systems (CNS) results in severe long-term disability because damaged CNS connections rarely regenerate. Although several axon regeneration regulators have been proposed, intrinsic regenerative mechanisms remain largely unexplored. Here, we use a Drosophila CNS injury model to identify a novel pro-regeneration signaling pathway. We conducted a genetic screen of approximately three hundred candidate genes and identified three strong inducers of axonal growth and regeneration: the Down Syndrome Cell Adhesion Molecule (Dscam1), the de-ubiquitinating enzyme Fat Facets (Faf)/Usp9x and the Jun N-Terminal Kinase (JNK) pathway transcription factor Kayak (Kay)/Fos. Genetic and biochemical analyses link these genes in a common signaling pathway whereby Faf stabilizes Dscam1 protein levels, by acting on the 3-UTR of its mRNA, and Dscam1 acts upstream of the growth-promoting JNK signal. The mammalian homolog of Faf, Usp9x/FAM, shares both the regenerative and Dscam1 stabilizing activities, suggesting a conserved mechanism.

Sex is an increasingly important feature of mouse naive pluripotent stem cells (PSCs), but the regulatory processes involved remain enigmatic. Here, we addressed how sex modulates pluripotency by characterizing the transcriptional state, differentiation dynamics, growth and DNA methylation in female ESCs with heterozygous deletions of Dusp9. Our results show that sex-specific regulation of DNA methylation by Dusp9 can be molecularly uncoupled from the regulation of sex-specific differences in growth, transcription and pluripotency exit. We also addressed how sex modulates pluripotency by characterizing, in male and female cells, the transcriptional state and differentiation dynamics of iPSCs. We found that iPSCs adopt distinct sex-specific transcriptional states, pluripotency exit kinetics and growth properties, which correlate with the presence of two active X chromosomes. Differences in growth and pluripotency exit are not explained by X-linked pluripotency genes. We also examined the open chromatin landscape of embryonic stem cells (ESCs). Epigenomic profiling revealed sex-specific open chromatin landscapes associated with pluripotency and development that underlie key pluripotency and signaling transcription factor binding sites. The differential enrichment of binding sites in sex-specific open chromatin regions provides a molecular link between transcriptional regulators, maintenance of and exit from pluripotency. Our results uncover that different pathways regulate distinct sex-specific differences in PSCs and reveal new molecular insights on sex-specific cellular states.