Abstract Commonly expressed at developmental transitions, microRNAs operate as fine tuners of gene expression to facilitate cell fate acquisition and lineage segregation. Nevertheless, how they might regulate the earliest developmental transitions in early mammalian embryogenesis remains obscure. Here, in a strictly in vivo approach based on novel genetically-engineered mouse models and single-cell RNA sequencing, we identify miR-203 as a critical regulator of timing and cell fate restriction within the totipotency to pluripotency transition in mouse embryos. Genetically engineered mouse models show that loss of miR-203 slows down developmental timing during preimplantation leading to the accumulation of embryos with high expression of totipotency-associated markers, including MERVL endogenous retroviral elements. A new embryonic reporter (eE-Reporter) transgenic mouse carrying MERVL-Tomato and Sox2-GFP transgenes showed that lack of miR-203 leads to sustained expression of MERVL and reduced Sox2 expression in preimplantation developmental stages. A combination of single-cell transcriptional studies and epigenetic analyses identified the central coactivator and histone acetyltransferase P300 as a major miR-203 target at the totipotency to pluripotency transition in vivo. By fine tuning P300 levels, miR-203 carves the epigenetic rewiring process needed for this developmental transition, allowing a timely and correctly paced development.

Due to their capability to transport chemicals or proteins into target cells, cell-penetrating peptides (CPPs) are being developed as therapy delivery tools. However, and despite their interesting properties, arginine-rich CPPs often show toxicity for reasons that remain poorly understood. Using a (PR)n dipeptide repeat that has been linked to amyotrophic-lateral sclerosis (ALS) as a model of an arginine-rich CPP, we here show that the presence of (PR)n leads to a generalized displacement of RNA- and DNA-binding proteins from chromatin and mRNA. Accordingly, any reaction involving nucleic acids such as RNA transcription, translation, splicing and degradation or DNA replication and repair are impaired by the presence of the CPP. Interestingly, the effects of (PR)n are fully mimicked by PROTAMINE, a small arginine-rich protein that displaces histones from chromatin during spermatogenesis. We propose that widespread coating of nucleic acids and consequent displacement of RNA- and DNA-binding factors from chromatin and mRNA accounts for the toxicity of arginine-rich CPPs, including those that have been recently associated to the onset of ALS.

Full differentiation potential along with self-renewal capacity is a major property of pluripotent stem cells (PSCs). However, the differentiation capacity frequently decreases during expansion of PSCs in vitro. We show here that transient exposure to a single microRNA, expressed at early stages during normal development, improves the differentiation capacity of already-established murine and human PSCs. Short exposure to miR-203 in PSCs ( mi PSCs) results in expanded differentiation potency as well as improved efficiency in stringent assays such as tetraploid complementation and human-mouse interspecies chimerism. Mechanistically, these effects are mediated by direct repression of de novo DNA methyltransferases Dnmt3a and Dnmt3b, leading to transient and reversible erasing of DNA methylation. As a proof of concept, miR-203 improves differentiation and maturation of PSCs into cardiomyocytes in vitro as well as cardiac regeneration in vivo, after cardiac injury. These data support the use of transient exposure to miR-203 as a general and single method to reset the epigenetic memory in PSCs, and improve their use in regenerative medicine.