Precise regulation of the formation, maintenance, and remodeling of the vasculature is required for normal development, tissue response to injury, and tumor progression. How specific microRNAs intersect with and modulate angiogenic signaling cascades is unknown. Here, we identified microRNAs that were enriched in endothelial cells derived from mouse embryonic stem (ES) cells and in developing mouse embryos. We found that miR-126 regulated the response of endothelial cells to VEGF. Additionally, knockdown of miR-126 in zebrafish resulted in loss of vascular integrity and hemorrhage during embryonic development. miR-126 functioned in part by directly repressing negative regulators of the VEGF pathway, including the Sprouty-related protein SPRED1 and phosphoinositol-3 kinase regulatory subunit 2 (PIK3R2/p85-β). Increased expression of Spred1 or inhibition of VEGF signaling in zebrafish resulted in defects similar to miR-126 knockdown. These findings illustrate that a single miRNA can regulate vascular integrity and angiogenesis, providing a new target for modulating vascular formation and function.

MicroRNAs (miRNAs) are regulators of myriad cellular events, but evidence for a single miRNA that can efficiently differentiate multipotent stem cells into a specific lineage or regulate direct reprogramming of cells into an alternative cell fate has been elusive. Here we show that miR-145 and miR-143 are co-transcribed in multipotent murine cardiac progenitors before becoming localized to smooth muscle cells, including neural crest stem-cell-derived vascular smooth muscle cells. miR-145 and miR-143 were direct transcriptional targets of serum response factor, myocardin and Nkx2-5 (NK2 transcription factor related, locus 5) and were downregulated in injured or atherosclerotic vessels containing proliferating, less differentiated smooth muscle cells. miR-145 was necessary for myocardin-induced reprogramming of adult fibroblasts into smooth muscle cells and sufficient to induce differentiation of multipotent neural crest stem cells into vascular smooth muscle. Furthermore, miR-145 and miR-143 cooperatively targeted a network of transcription factors, including Klf4 (Kruppel-like factor 4), myocardin and Elk-1 (ELK1, member of ETS oncogene family), to promote differentiation and repress proliferation of smooth muscle cells. These findings demonstrate that miR-145 can direct the smooth muscle fate and that miR-145 and miR-143 function to regulate the quiescent versus proliferative phenotype of smooth muscle cells.

Summary

 Cell fate decisions of pluripotent embryonic stem (ES) cells are dictated by activation and repression of lineage-specific genes. Numerous signaling and transcriptional networks progressively narrow and specify the potential of ES cells. Whether specific microRNAs help refine and limit gene expression and, thereby, could be used to manipulate ES cell differentiation has largely been unexplored. Here, we show that two serum response factor (SRF)-dependent muscle-specific microRNAs, miR-1 and miR-133, promote mesoderm formation from ES cells but have opposing functions during further differentiation into cardiac muscle progenitors. Furthermore, miR-1 and miR-133 were potent repressors of nonmuscle gene expression and cell fate during mouse and human ES cell differentiation. miR-1's effects were in part mediated by translational repression of the Notch ligand Delta-like 1 (Dll-1). Our findings indicate that muscle-specific miRNAs reinforce the silencing of nonmuscle genes during cell lineage commitment and suggest that miRNAs may have general utility in regulating cell-fate decisions from pluripotent ES cells.

Growth and expansion of ventricular chambers is essential during heart development and is achieved by proliferation of cardiac progenitors. Adult cardiomyocytes, by contrast, achieve growth through hypertrophy rather than hyperplasia. Although epicardial-derived signals may contribute to the proliferative process in myocytes, the factors and cell types responsible for development of the ventricular myocardial thickness are unclear. Using a coculture system, we found that embryonic cardiac fibroblasts induced proliferation of cardiomyocytes, in contrast to adult cardiac fibroblasts that promoted myocyte hypertrophy. We identified fibronectin, collagen, and heparin-binding EGF-like growth factor as embryonic cardiac fibroblast-specific signals that collaboratively promoted cardiomyocyte proliferation in a paracrine fashion. Myocardial beta1-integrin was required for this proliferative response, and ventricular cardiomyocyte-specific deletion of beta1-integrin in mice resulted in reduced myocardial proliferation and impaired ventricular compaction. These findings reveal a previously unrecognized paracrine function of embryonic cardiac fibroblasts in regulating cardiomyocyte proliferation.

An estimated 30 million passengers are transported on 272 cruise ships worldwide each year* (1). Cruise ships bring diverse populations into proximity for many days, facilitating transmission of respiratory illness (2). SARS-CoV-2, the virus that causes coronavirus disease (COVID-19) was first identified in Wuhan, China, in December 2019 and has since spread worldwide to at least 187 countries and territories. Widespread COVID-19 transmission on cruise ships has been reported as well (3). Passengers on certain cruise ship voyages might be aged ≥65 years, which places them at greater risk for severe consequences of SARS-CoV-2 infection (4). During February-March 2020, COVID-19 outbreaks associated with three cruise ship voyages have caused more than 800 laboratory-confirmed cases among passengers and crew, including 10 deaths. Transmission occurred across multiple voyages of several ships. This report describes public health responses to COVID-19 outbreaks on these ships. COVID-19 on cruise ships poses a risk for rapid spread of disease, causing outbreaks in a vulnerable population, and aggressive efforts are required to contain spread. All persons should defer all cruise travel worldwide during the COVID-19 pandemic.

Abstract In diseased organs, stress-activated signaling cascades alter chromatin, triggering broad shifts in transcription and cell state that exacerbate pathology. Fibroblast activation is a common stress response that worsens lung, liver, kidney and heart disease, yet its mechanistic basis remains poorly understood 1,2 . Pharmacologic inhibition of the BET family of transcriptional coactivators alleviates cardiac dysfunction and associated fibrosis, providing a tool to mechanistically interrogate maladaptive fibroblast states and modulate their plasticity as a potential therapeutic approach 3–8 . Here, we leverage dynamic single cell transcriptomic and epigenomic interrogation of heart tissue with and without BET inhibition to reveal a reversible transcriptional switch underlying stress-induced fibroblast activation. Transcriptomes of resident cardiac fibroblasts demonstrated robust and rapid toggling between the quiescent fibroblast and activated myofibroblast state in a manner that directly correlated with BET inhibitor exposure and cardiac function. Correlation of single cell chromatin accessibility with cardiac function revealed a novel set of reversibly accessible DNA elements that correlated with disease severity. Among the most dynamic elements was an enhancer regulating the transcription factor MEOX1, which was specifically expressed in activated myofibroblasts, occupied putative regulatory elements of a broad fibrotic gene program, and was required for TGFβ-induced myofibroblast activation. CRISPR interference of the most dynamic cis -element within the enhancer, marked by nascent transcription, prevented TGFβ-induced activation of Meox1 . These findings identify MEOX1 as a central regulator of stress-induced myofibroblast activation associated with cardiac dysfunction. The plasticity and specificity of the BET-dependent regulation of MEOX1 in endogenous tissue fibroblasts provides new trans - and cis - targets for treating fibrotic disease.

SUMMARY Direct lineage conversion, whereby a somatic cell assumes a new cellular identity, can be driven by ectopic expression of combinations of lineage-enriched transcription factors. To determine the molecular mechanisms by which expression of Gata4, Mef2c, and Tbx5 (GMT) induces direct reprogramming from a cardiac fibroblast toward an induced cardiomyocyte, we performed a comprehensive transcriptomic and epigenomic interrogation of the reprogramming process. Single cell RNA sequencing indicated that a reprogramming trajectory was acquired within 48 hours of GMT introduction, did not require cell division, and was limited mainly by successful expression of GMT. Evaluation of chromatin accessibility by ATAC-seq supported the expression dynamics and revealed widespread chromatin remodeling at early stages of the reprogramming process. Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing of each factor alone or in combinations revealed that GMT bind DNA individually and in combination, and that ectopic expression of either Mef2c or Tbx5 is sufficient in some contexts to increase accessibility. We also find evidence for cooperative facilitation and refinement of each factor’s binding in a combinatorial setting. A random-forest classifier that integrated the observed gene expression dynamics with regions of dynamic chromatin accessibility suggested Tbx5 binding is a primary driver of gene expression changes and revealed additional transcription factor motifs co-segregating with reprogramming factor motifs, suggesting new factors that may be involved in the reprogramming process. These results begin to explain the mechanisms by which transcription factors normally expressed in multiple germ layers can function combinatorially to direct lineage conversion.

Abstract Background Hypertrophic cardiomyopathy (HCM) affects an estimated 600,000 people in the U.S. and is the leading cause of sudden cardiac arrest in those under 18. Loss-of-function mutations in Myosin Binding Protein C3 , MYBPC3 , are the most common genetic cause of HCM. The majority of MYBPC3 mutations causative for HCM result in truncations. The sarcomeric pathophysiology of the majority of HCM patients with MYBPC3 mutations appears to be due to haploinsufficiency, as the total amount of MYBPC3 protein incorporated into sarcomeres falls significantly below normal. Methods A clear path for the treatment of haploinsufficiency is the restoration of the insufficient gene product; in this case wild-type MYBPC3. To achieve this, we engineered an AAV vector (TN-201) with superior properties for mediating cardiomyocyte-selective expression of MYBPC3 after systemic delivery. Results We have demonstrated for the first time with AAV gene therapy the ability of both a mouse surrogate and TN-201, which encodes human MYBPC3 to reverse cardiac hypertrophy and systolic dysfunction and to improve diastolic dysfunction and survival in a symptomatic MYBPC3-deficient murine model of disease. Dose-ranging efficacy studies exhibited restoration of wild-type MYBPC3 protein levels and saturation of cardiac improvement at the clinically relevant dose of 3E13 vg/kg, outperforming a previously published construct. Further, we have established stable cardiac benefit for greater than one year post-injection, as well as reversal of cardiac dysfunction even in late-stage models of disease. Conclusions Our data suggest that by restoring MYBPC3 to the sarcomere, TN-201 has the potential to slow and even reverse the course of the disease in patients with MYBPC3 -associated HCM.

Complex genetic inheritance is thought to underlie many human diseases, yet experimental proof of this model has been elusive. Here, we show that a human congenital heart defect, left ventricular non-compaction (LVNC), can be caused by a combination of rare, inherited heterozygous missense single nucleotide variants. Whole exome sequencing of a nuclear family revealed novel single nucleotide variants of MYH7 and MKL2 in an asymptomatic father while the offspring with severe childhood-onset LVNC harbored an additional missense variant in the cardiac transcription factor, NKX2-5, inherited from an unaffected mother. Mice bred to compound heterozygosity for the orthologous missense variants in Myh7 and Mkl2 had mild cardiac pathology; the additional inheritance of the Nkx2-5 variant yielded a more severe LVNC-like phenotype in triple compound heterozygotes. RNA sequencing identified genes associated with endothelial and myocardial development that were dysregulated in hearts from triple heterozygote mice and human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes harboring the three variants, with evidence for NKX2-5's contribution as a modifier on the molecular level. These studies demonstrate that the deployment of efficient gene editing tools can provide experimental evidence for complex inheritance of human disease.