Summary Replication stress is an endemic threat to genome stability. For reasons unknown, replication stress response factors become essential during peri-implantation development. This coincides with a stem cell potency switch from the naïve to the primed state. Using genetically matched, chimera-derived mouse naïve embryonic (mESC) and primed epiblast stem cells (mEpiSC) we found that replication stress management differs between potency states. Primed mEpiSCs rely on Atr activity to prevent replication catastrophe, minimize genomic damage, avoid apoptosis, and re-enter the cell cycle. Conversely, under replications stress, mESCs readily activate Atm regardless of Atr activity, undergo replication catastrophe, and induce apoptosis. Primed pluripotent cells therefore engage Atr to counteract replication difficulties and maintain viability, whereas cells in the naïve state are more readily cleared under the same conditions. We anticipate these divergent strategies enable pluripotent cells of different potency states to meet associated proliferative or developmental demands during early development.

Stem-cell derived tissue models are commonly cultured under globally-delivered stimuli that trigger histogenesis via self-organizing activity. However, the culture of such tissue models is prone to stochastic behavior, limiting the reproducibility of cellular composition and resulting in non-physiological architectures. To overcome these shortcomings, we developed a method for printing cell niche microenvironments with microstructured cues that mediate local histogenic processes, including mechanosensing and differentiation of selected cell types. Microstructured cues include independently tunable mechano-chemical properties, with conjugated peptides, proteins, and morphogens across a range of Young’s moduli. By rationally designing niches, we mediate the structure of tissues derived from stem-cell-progenitor sources, including a bone-fat assembly from stromal mesenchyme, and embryonic tissues derived from hiPSC. We show that microstructured cues can recapitulate mechano-chemical signals resembling early embryonic histogenesis. This outcome includes a role for niche mechanics in human embryonic organization, where soft niche mechanics bias markers of mesendodermal differentiation and epithelial-to-mesenchymal-transition (EMT), as well as a demonstration of a material-mediated morphogen signaling centers able to induce foci of mesenchymal and EMT differentiation. Thus, microstructured materials can mediate local histogenic processes to enhance the structure and composition of tissue models.

Abstract Protein interaction is critical molecular regulatory activity underlining cellular functions and precise cell fate choices. Using TWIST1 BioID-proximity-labelling and network propagation analyses, we discovered and characterized a TWIST-chromatin regulatory module (TWIST1-CRM) in the neural crest cell (NCC). Combinatorial perturbation of core members of TWIST1-CRM: TWIST1, CHD7, CHD8, and WHSC1 in cell models and mouse embryos revealed that loss of the function of the regulatory module resulted in abnormal specification of NCCs and compromised craniofacial tissue patterning. Our results showed that in the course of cranial neural crest differentiation, phasic activity of TWIST1 and the interacting chromatin regulators promote the choice of NCC fate while suppressing neural stem cell fates, and subsequently enhance ectomesenchyme potential and cell motility. We have revealed the connections between TWIST1 and potential neurocristopathy factors which are functionally interdependent in NCC specification. Moreover, the NCC module participate in the genetic circuit delineating dorsal-ventral patterning of neural progenitors in the neuroepithelium.

The extensive array of bHLH transcription factors and their combinations as dimers underpin the diversity of molecular function required for cell type specification during embryogenesis. The bHLH factor TWIST1 plays pleiotropic roles during development. However, which combinations of TWIST1 dimers are involved and what impact each dimer imposes on the gene regulation network controlled by TWIST1 remain elusive. In this work, proteomic profiling of human-TWIST1 expressing cell lines and transcriptome analysis of mouse cranial mesenchyme have revealed that TWIST1 homodimer and heterodimers with TCF3, TCF4 and TCF12 E-proteins are the predominant dimer combinations. Dimers formation or their balance are altered by disease-causing mutations in TWIST1 helix domains, which may account for the defective differentiation of the craniofacial mesenchyme observed in patients. Functional analyses of the loss and gain of TWIST1-E-protein dimer activity have revealed previously unappreciated roles in guiding lineage differentiation of embryonic stem cells: TWIST1-E-protein heterodimers activate the differentiation of mesoderm and neural crest cells which is accompanied by epithelial-to-mesenchymal transition, while TWIST1 homodimers maintain the stem cells in a progenitor state and block entry to the endoderm lineage.

Gastruloids have recently emerged as an efficient four-dimensional model for studying some aspects of post-implantation embryonic patterning. They undergo gastrulation-like processes leading to the self-organization into highly reproducible biological objects. Here, we sought to uncover the molecular and cellular mechanism underlying this remarkable property. We report that self-organization competence is associated with a cell-specific coordination of a Cadherin switch. We find that N-Cadherin hinders gastruloids morphogenetic competence, for its inactivation leads to the formation of trunk-like structures in absence of extra-cellular matrix analogues. In contrast, E-Cadherin repression by Snai1 is critical for self-organization: Snai1 establishes a cell-specific repressive pace by triggering the repression of a pluripotency-associated transcription program and its chromatin landscape, thus allowing a proper transition from E- to N-Cadherin to occur. Altogether, this work establishes a molecular mechanism that integrates the exit from pluripotency and the pace of cell differentiation, leading to the observed self-organizing potential of gastruloids.

In mammals, tail length is controlled by several genetic determinants, amongst which Hox13 genes located at the posterior extremities of Hox clusters, whose main function are to terminate the extension of the body axis. In this view, the precise timing in the transcriptional activation of these genes may impact upon body length. Unlike other Hox clusters, HoxB lacks all posterior genes between Hoxb9 and Hoxb13, two genes separated by a ca. 70 kb large DNA segment containing an unusually high number of CTCF sites, suggesting it isolates Hoxb13 from the rest of the cluster, thereby delaying its negative impact on trunk extension. We deleted the spacer DNA to induce a potential heterochronic gain of function of Hoxb13 at physiological concentration and observed a shortening of the tail as well as other abnormal phenotypes, which were all rescued by inactivating Hoxb13 in-cis with the deletion. A comparable gain of function was observed in mutant ES cells grown as pseudo-embryos in vitro, which allowed us to examine in details the importance of both the number and the orientation of CTCF sites in the insulating activity of the DNA spacer. A short cassette containing all the CTCF sites was sufficient to insulate Hoxb13 from the rest of HoxB and additional modifications of this CTCF cassette showed that two CTCF sites in convergent orientations are already capable of importantly delaying Hoxb13 activation in these conditions. We discuss the relative importance of genomic distance versus number and orientation of CTCF sites in preventing Hoxb13 to be activated too early during trunk extension and hence to modulate tail length.

Differentiation into diverse cell lineages requires the orchestration of gene regulatory networks guiding diverse cell fate choices. Utilizing human pluripotent stem cells, we measured expression dynamics of 17,718 genes from 43,168 cells across five-time points over a thirty-day time-course of in vitro cardiac- directed differentiation. Unsupervised clustering and lineage prediction algorithms were used to map fate choices and transcriptional networks underlying cardiac differentiation. We leveraged this resource to identify strategies for controlling in vitro differentiation as it occurs in vivo. HOPX, a non-DNA binding homeodomain protein essential for heart development in vivo was identified as dysregulated in vitro derived cardiomyocytes. Utilizing genetic gain and loss of function approaches, we dissect the transcriptional complexity of the HOPX locus and identify the requirement of hypertrophic signaling for HOPX transcription in hPSC-derived cardiomyocytes. This work provides a single cell dissection of the transcriptional landscape of cardiac differentiation for broad applications of stem cells in cardiovascular biology.

Human induced pluripotent stem cells (hiPSC) possess the ability to differentiate into a multitude of tissue types but display heterogeneity in the propensity of differentiation into specific tissue lineages. An examination of isogenic hiPSC lines revealed variations in the endoderm propensity under directed differentiation conditions. Characterization of the transcriptome and proteome of the hiPSC lines showed that MIXL1 activity at the early differentiation stage correlated with the efficacy of generating definitive endoderm and further differentiation into endoderm derivatives. Enforced expression of MIXL1 in the endoderm-incompetent hiPSCs enhanced the propensity of endoderm differentiation, suggesting that modulation of key drivers of lineage differentiation can re-wire hiPSC to the desired lineage propensity for stem cell products.