Abstract

 Plants carrying the floricaula (flo) mutation cannot make the transition from inflorescence to floral meristems and have indeterminate shoots in place of flowers. The flo-613 allele carries a Tam3 transposon insertion, which allowed the isolation of the flo locus. The flo gene encodes a putative protein (FLO) containing a proline-rich N-terminus and a highly acidic region. In situ hybridization shows that the flo gene is transiently expressed in the very early stages of flower development. The earliest expression seen is in bract primordia, followed by sepal, petal, and carpel primordia, but no expression is detected in stamen primordia. This pattern of expression has implications for how flo affects phyllotaxis, organ identity, and determinacy. We propose that flo interacts in a sequential manner with other homeotic genes affecting floral organ identity.

Abstract Induced pluripotent stem (iPS) cells can be generated using retroviral vectors expressing Oct4, Klf4, Sox2, and cMyc. Most prior studies have required multiple retroviral vectors for reprogramming, resulting in high numbers of genomic integrations in iPS cells and limiting their use for therapeutic applications. Here we describe the use of a single lentiviral vector expressing a “stem cell cassette” composed of the four transcription factors and a combination of 2A peptide and internal ribosome entry site technology, generating iPS cells from postnatal fibroblasts. iPS cells generated in this manner display embryonic stem cell-like morphology, express stem cell markers, and exhibit in vivo pluripotency, as evidenced by their ability to differentiate in teratoma assays and their robust contribution to mouse chimeras. Combining all factors into a single transcript achieves the most efficient reprogramming system to date and allows derivation of iPS cells with a single viral integration. The use of a single lentiviral vector for reprogramming represents a powerful laboratory tool and a significant step toward the application of iPS technology for clinical purposes.

Abstract The development of methods to achieve efficient reprogramming of human cells while avoiding the permanent presence of reprogramming transgenes represents a critical step toward the use of induced pluripotent stem cells (iPSC) for clinical purposes, such as disease modeling or reconstituting therapies. Although several methods exist for generating iPSC free of reprogramming transgenes from mouse cells or neonatal normal human tissues, a sufficiently efficient reprogramming system is still needed to achieve the widespread derivation of disease-specific iPSC from humans with inherited or degenerative diseases. Here, we report the use of a humanized version of a single lentiviral “stem cell cassette” vector to accomplish efficient reprogramming of normal or diseased skin fibroblasts obtained from humans of virtually any age. Simultaneous transfer of either three or four reprogramming factors into human target cells using this single vector allows derivation of human iPSC containing a single excisable viral integration that on removal generates human iPSC free of integrated transgenes. As a proof of principle, here we apply this strategy to generate >100 lung disease-specific iPSC lines from individuals with a variety of diseases affecting the epithelial, endothelial, or interstitial compartments of the lung, including cystic fibrosis, α-1 antitrypsin deficiency-related emphysema, scleroderma, and sickle-cell disease. Moreover, we demonstrate that human iPSC generated with this approach have the ability to robustly differentiate into definitive endoderm in vitro, the developmental precursor tissue of lung epithelia.

Abstract The residual presence of integrated transgenes following the derivation of induced pluripotent stem (iPS) cells is highly undesirable. Here we demonstrate efficient derivation of iPS cells free of exogenous reprogramming transgenes using an excisable polycistronic lentiviral vector. A novel version of this vector containing a reporter fluorochrome allows direct visualization of vector excision in living iPS cells in real time. We find that removal of the reprogramming vector markedly improves the developmental potential of iPS cells and significantly augments their capacity to undergo directed differentiation in vitro. We further propose that methods to efficiently excise reprogramming transgenes with minimal culture passaging, such as those demonstrated here, are critical since we find that iPS cells may acquire chromosomal abnormalities, such as trisomy of chromosome 8, similar to embryonic stem cells after expansion in culture. Our findings illustrate an efficient method for the generation of transgene-free iPS cells and emphasize the potential beneficial effects that may result from elimination of integrated reprogramming factors. In addition, our results underscore the consequences of long-term culture that will need to be taken into account for the clinical application of iPS cells.

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) stand to revolutionize the way we study human development, model disease, and eventually, treat patients. However, these cell sources produce progeny that retain embryonic and/or fetal characteristics. The failure to mature to definitive, adult-type cells is a major barrier for iPSC-based disease modeling and drug discovery. To directly address these concerns, we have developed a chemically defined, serum and feeder-free-directed differentiation platform to generate hematopoietic stem-progenitor cells (HSPCs) and resultant adult-type progeny from iPSCs. This system allows for strict control of signaling pathways over time through growth factor and/or small molecule modulation. Through direct comparison with our previously described protocol for the production of primitive wave hematopoietic cells, we demonstrate that induced HSPCs are enhanced for erythroid and myeloid colony forming potential, and strikingly, resultant erythroid-lineage cells display enhanced expression of adult β globin indicating definitive pathway patterning. Using this system, we demonstrate the stage-specific roles of two key signaling pathways, Notch and the aryl hydrocarbon receptor (AHR), in the derivation of definitive hematopoietic cells. We illustrate the stage-specific necessity of Notch signaling in the emergence of hematopoietic progenitors and downstream definitive, adult-type erythroblasts. We also show that genetic or small molecule inhibition of the AHR results in the increased production of CD34+ CD45+ HSPCs while conversely, activation of the same receptor results in a block of hematopoietic cell emergence. Results presented here should have broad implications for hematopoietic stem cell transplantation and future clinical translation of iPSC-derived blood cells. Stem Cells 2018;36:1004-1019.

Robust β-globin expression in erythroid cells derived from induced pluripotent stem cells (iPSCs) increases the resolution with which red blood cell disorders such as sickle cell disease and β thalassemia can be modeled in vitro. To better quantify efforts in augmenting β-globin expression, we report the creation of a β-globin reporter iPSC line that allows for the mapping of β-globin expression throughout human erythropoietic development in real time at single-cell resolution. Coupling this tool with single-cell RNA sequencing (scRNAseq) identified features that distinguish β-globin-expressing cells and allowed for the dissection of the developmental and maturational statuses of iPSC-derived erythroid lineage cells. Coexpression of embryonic, fetal, and adult globins in individual cells indicated that these cells correspond to a yolk sac erythromyeloid progenitor program of hematopoietic development, representing the onset of definitive erythropoiesis. Within this developmental program, scRNAseq analysis identified a gradient of erythroid maturation, with β-globin-expressing cells showing increased maturation. Compared with other cells, β-globin-expressing cells showed a reduction in transcripts coding for ribosomal proteins, increased expression of members of the ubiquitin-proteasome system recently identified to be involved in remodeling of the erythroid proteome, and upregulation of genes involved in the dynamic translational control of red blood cell maturation. These findings emphasize that definitively patterned iPSC-derived erythroblasts resemble their postnatal counterparts in terms of gene expression and essential biological processes, confirming their potential for disease modeling and regenerative medicine applications.

Abstract Age-related changes in immune cell composition and functionality are associated with multimorbidity and mortality. However, many centenarians delay the onset of aging-related disease suggesting the presence of elite immunity that remains highly functional at extreme old age. To identify immune-specific patterns of aging and extreme human longevity, we analyzed novel single cell profiles from the peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of 7 centenarians (mean age 106) and publicly available single cell RNA-sequencing (scRNA-seq) datasets that included an additional 7 centenarians as well as 52 people at younger ages (20-89 years). The analysis confirmed known shifts in the ratio of lymphocytes to myeloid cells, and noncytotoxic to cytotoxic cell distributions with aging, but also identified significant shifts from CD4 + T cell to B cell populations in centenarians suggesting a history of exposure to natural and environmental immunogens. Our transcriptional analysis identified cell type signatures specific to exceptional longevity that included genes with age-related changes (e.g., increased expression of STK17A , a gene known to be involved in DNA damage response ) as well as genes expressed uniquely in centenarians’ PBMCs (e.g., S100A4 , part of the S100 protein family studied in age-related disease and connected to longevity and metabolic regulation ) . Collectively, these data suggest that centenarians harbor unique, highly functional immune systems that have successfully adapted to a history of insults allowing for the achievement of exceptional longevity.

SUMMARY Red blood cells (RBCs, erythrocytes) are the simplest primary human cells, lacking nuclei and major organelles, and instead employing about a thousand proteins to dynamically control cellular function and morphology in response to physiological cues. In this study, we defined a canonical RBC proteome and interactome using quantitative mass spectrometry and machine learning. Our data reveal an RBC interactome dominated by protein homeostasis, redox biology, cytoskeletal dynamics, and carbon metabolism. We validated protein complexes through electron microscopy and chemical crosslinking, and with these data, built 3D structural models of the ankyrin/Band 3/Band 4.2 complex that bridges the spectrin cytoskeleton to the RBC membrane. The model suggests spring-link compression of ankyrin may contribute to the characteristic RBC cell shape and flexibility. Taken together, our study provides an in-depth view of the global protein organization of human RBCs and serves as a comprehensive resource for future research.

Background Cardiac dysfunction in AL amyloidosis is thought to be partly related to the direct impact of AL LCs on cardiomyocyte function, with the degree of dysfunction at diagnosis as a major determinant of clinical outcomes. Nonetheless, mechanisms underlying LC-induced myocardial toxicity are not well understood. Methods We identified gene expression changes correlating with human cardiac cells exposed to a cardiomyopathy-associated κAL LC. We then sought to confirm these findings in a clinical dataset by focusing on clinical parameters associated with the pathways dysregulated at the gene expression level. Results Upon exposure to a cardiomyopathy-associated κAL LC, cardiac cells exhibited gene expression changes related to myocardial contractile function and inflammation, leading us to hypothesize that there could be clinically detectable changes in GLS on echocardiogram and serum inflammatory markers in patients. Thus, we identified 29 patients with normal IVSd but abnormal cardiac biomarkers suggestive of LC-induced cardiac dysfunction. These patients display early cardiac biomarker staging, abnormal GLS, and significantly reduced serum inflammatory markers compared to patients with clinically evident amyloid fibril deposition. Conclusion Collectively, our findings highlight early molecular and functional signatures of cardiac AL amyloidosis, with potential impact for developing improved patient biomarkers and novel therapeutics.

ABSTRACT Neuroendocrine tumors (NETs) are rare cancers that may arise in the gastrointestinal tract and pancreas. The fundamental mechanisms driving gastroenteropancreatic (GEP) NET growth remain incompletely elucidated; however, the heterogeneous clinical behavior of GEP-NETs suggests that both cellular lineage dynamics and tumor microenvironment influence tumor pathophysiology. Here, we investigated the single-cell transcriptomes of tumor and immune cells from patients with gastroenteropancreatic NETs. Malignant GEP-NET cells expressed genes and regulons associated with normal, gastrointestinal endocrine cell differentiation and fate determination stages. While tumor and lymphoid compartments sparsely expressed immunosuppressive targets, infiltrating myeloid cells were enriched for alternative immunotherapy pathways including VSIR , Tim3/Gal9, and SIGLEC10 . Finally, analysis of paired primary and metastatic tissue specimens from small intestinal NETs demonstrated transcriptional transformation between the primary tumor and its distant metastasis. Our findings highlight the transcriptomic heterogeneity that distinguishes the cellular landscapes of GEP-NET anatomic subtypes and reveal potential avenues for future precision medicine therapeutics.