Summary Though gains of chromosome 12p13.31 are highly recurrent in hPSC, their impact on differentiation is poorly understood. We identify a reduction in differentiation capacity towards all three germ layers and a subpopulation of residual pluripotent cells that appear during hepatic specification. These cells form as a result of the overexpression of NANOG and GDF3, whereby NANOG as the primary driver delays activation of WNT signaling, partly as a result of a direct physical interaction with TCF7. Entry into the residual state is determined by cell cycle position at the onset of differentiation and is maintained by a feedback loop between NANOG and GDF3. These findings highlight the ability of genetically abnormal hPSC to escape correct differentiation and to form residual pluripotent cells, an important risk in the safe clinical translation of hPSC. Our results further refine the molecular mechanisms that underpin the exit from pluripotency and onset of differentiation.

Abstract Human pluripotent stem cell (hPSC) cultures are prone to genetic drift, as cells that have acquired specific genetic abnormalities experience a selective advantage in vitro. These abnormalities are highly recurrent in hPSC lines worldwide, but currently their functional consequences in differentiating cells are scarcely described. An accurate assessment of the risk associated with these genetic variants in both research and clinical settings is therefore lacking. In this work, we established that one of these recurrent abnormalities, the loss of chromosome 18q, impairs neuroectoderm commitment and affects the cardiac progenitor differentiation of hESCs. We show that downregulation of SALL3 , a gene located in the common 18q loss region, is responsible for failed neuroectodermal differentiation. Knockdown of SALL3 in control lines impaired differentiation in a manner similar to the loss of 18q, while transgenic overexpression of SALL3 in hESCs with 18q loss rescued the differentiation capacity of the cells. Finally, we show by gene expression analysis that loss of 18q and downregulation of SALL3 leads to changes in the expression of genes involved in pathways regulating pluripotency and differentiation, including the WNT, NOTCH, JAK-STAT, TGF-beta and NF-kB pathways, suggesting that these cells are in an altered state of pluripotency.

SUMMARY Gains of 1q are a highly recurrent chromosomal abnormality in human pluripotent stem cells. In this work, we show that gains of 1q impact the differentiation capacity to derivates of the three germ layers, leading to miss-specification to cranial placode and non-neural ectoderm during neuroectoderm differentiation and by poorer expression of lineage specific markers in hepatoblasts and cardiac progenitors. Competition assays show that the cells retain their selective advantage during differentiation, which is mediated by a higher expression of MDM4 , a gene located in the common region of gain. MDM4 drives the winner phenotype of the mutant cells in both the undifferentiated and differentiating state by reducing the cells’ sensitivity to DNA-damage through decreased p53-mediated apoptosis. Finally, we find that cell density in culture plays a key role in promoting the competitive advantage of the cells by increasing DNA damage.

ABSTRACT Human pluripotent stem cells (hPSC) are pivotal in regenerative medicine, yet their in vitro expansion often leads to genetic abnormalities, raising concerns about their safety in clinical applications. This study analyzed ten human embryonic stem cell lines across multiple passages to elucidate the dynamics of chromosomal abnormalities and single nucleotide variants (SNVs) in 380 cancer-related genes. Prolonged in vitro culture resulted in 80% of the lines acquiring gains of chromosomes 20q or 1q, both known for conferring in vitro growth advantage. 70% of lines also acquired other copy number variants (CNVs) outside the recurrent set. Additionally, we detected 122 SNVs in 88 genes, with all lines acquiring at least one de novo SNV during culture. Our findings show higher loads of both CNVs and SNVs at later passages which are due to the cumulative acquisition of mutations over a longer time in culture and not to an increased rate of mutagenesis over time. Importantly, we observed that SNVs and rare CNVs follow the acquisition of chromosomal gains in 1q and 20q, while most of the low-passage and genetically balanced samples were devoid cancer-associated mutations. This suggests that the recurrent chromosomal abnormalities are the potential drivers for the acquisition of other mutations.