We have isolated a cardiomyogenic cell line (CMG) from murine bone marrow stromal cells. Stromal cells were immortalized, treated with 5-azacytidine, and spontaneously beating cells were repeatedly screened. The cells showed a fibroblast-like morphology, but the morphology changed after 5-azacytidine treatment in ∼30% of the cells; they connected with adjoining cells after one week, formed myotube-like structures, began spontaneously beating after two weeks, and beat synchronously after three weeks. They expressed atrial natriuretic peptide and brain natriuretic peptide and were stained with anti-myosin, anti-desmin, and anti-actinin antibodies. Electron microscopy revealed a cardiomyocyte-like ultrastructure, including typical sarcomeres, a centrally positioned nucleus, and atrial granules. These cells had several types of action potentials, such as sinus node–like and ventricular cell–like action potentials. All cells had a long action potential duration or plateau, a relatively shallow resting membrane potential, and a pacemaker-like late diastolic slow depolarization. Analysis of the isoform of contractile protein genes, such as myosin heavy chain, myosin light chain, and α-actin, indicated that their muscle phenotype was similar to that of fetal ventricular cardiomyocytes. These cells expressed Nkx2.5/Csx, GATA4, TEF-1, and MEF-2C mRNA before 5-azacytidine treatment and expressed MEF-2A and MEF-2D after treatment. This new cell line provides a powerful model for the study of cardiomyocyte differentiation.

JARID2 is an accessory component of Polycomb repressive complex-2 (PRC2) required for the differentiation of embryonic stem cells (ESCs). A role for JARID2 in the recruitment of PRC2 to target genes silenced during differentiation has been put forward, but the molecular details remain unclear. We identified a 30-amino-acid region of JARID2 that mediates interactions with long noncoding RNAs (lncRNAs) and found that the presence of lncRNAs stimulated JARID2-EZH2 interactions in vitro and JARID2-mediated recruitment of PRC2 to chromatin in vivo. Native and crosslinked RNA immunoprecipitations of JARID2 revealed that Meg3 and other lncRNAs from the imprinted Dlk1-Dio3 locus, an important regulator of development, interacted with PRC2 via JARID2. Lack of MEG3 expression in human induced pluripotent cells altered the chromatin distribution of JARID2, PRC2, and H3K27me3. Our findings show that lncRNAs facilitate JARID2-PRC2 interactions on chromatin and suggest a mechanism by which lncRNAs contribute to PRC2 recruitment.

Stem cell therapy can help repair damaged heart tissue. Yet many of the suitable cells currently identified for human use are difficult to obtain and involve invasive procedures. In our search for novel stem cells with a higher cardiomyogenic potential than those available from bone marrow, we discovered that potent cardiac precursor-like cells can be harvested from human menstrual blood. This represents a new, noninvasive, and potent source of cardiac stem cell therapeutic material. We demonstrate that menstrual blood-derived mesenchymal cells (MMCs) began beating spontaneously after induction, exhibiting cardiomyocyte-specific action potentials. Cardiac troponin-I-positive cardiomyocytes accounted for 27%-32% of the MMCs in vitro. The MMCs proliferated, on average, 28 generations without affecting cardiomyogenic transdifferentiation ability, and expressed mRNA of GATA-4 before cardiomyogenic induction. Hypothesizing that the majority of cardiomyogenic cells in MMCs originated from detached uterine endometrial glands, we established monoclonal endometrial gland-derived mesenchymal cells (EMCs), 76%-97% of which transdifferentiated into cardiac cells in vitro. Both EMCs and MMCs were positive for CD29, CD105 and negative for CD34, CD45. EMCs engrafted onto a recipient's heart using a novel 3-dimensional EMC cell sheet manipulation transdifferentiated into cardiac tissue layer in vivo. Transplanted MMCs also significantly restored impaired cardiac function, decreasing the myocardial infarction (MI) area in the nude rat model, with tissue of MMC-derived cardiomyocytes observed in the MI area in vivo. Thus, MMCs appear to be a potential novel, easily accessible source of material for cardiac stem cell-based therapy.

Epigenetic reprogramming is a critical event in the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs). Here, we determined the DNA methylation profiles of 22 human iPSC lines derived from five different cell types (human endometrium, placental artery endothelium, amnion, fetal lung fibroblast, and menstrual blood cell) and five human embryonic stem cell (ESC) lines, and we followed the aberrant methylation sites in iPSCs for up to 42 weeks. The iPSCs exhibited distinct epigenetic differences from ESCs, which were caused by aberrant methylation at early passages. Multiple appearances and then disappearances of random aberrant methylation were detected throughout iPSC reprogramming. Continuous passaging of the iPSCs diminished the differences between iPSCs and ESCs, implying that iPSCs lose the characteristics inherited from the parent cells and adapt to very closely resemble ESCs over time. Human iPSCs were gradually reprogrammed through the "convergence" of aberrant hyper-methylation events that continuously appeared in a de novo manner. This iPS reprogramming consisted of stochastic de novo methylation and selection/fixation of methylation in an environment suitable for ESCs. Taken together, random methylation and convergence are driving forces for long-term reprogramming of iPSCs to ESCs.

Whole-genome and -exome resequencing using next-generation sequencers is a powerful approach for identifying genomic variations that are associated with diseases. However, systematic strategies for prioritizing causative variants from many candidates to explain the disease phenotype are still far from being established, because the population-specific frequency spectrum of genetic variation has not been characterized. Here, we have collected exomic genetic variation from 1208 Japanese individuals through a collaborative effort, and aggregated the data into a prevailing catalog. In total, we identified 156 622 previously unreported variants. The allele frequencies for the majority (88.8%) were lower than 0.5% in allele frequency and predicted to be functionally deleterious. In addition, we have constructed a Japanese-specific major allele reference genome by which the number of unique mapping of the short reads in our data has increased 0.045% on average. Our results illustrate the importance of constructing an ethnicity-specific reference genome for identifying rare variants. All the collected data were centralized to a newly developed database to serve as useful resources for exploring pathogenic variations. Public access to the database is available at http://www.genome.med.kyoto-u.ac.jp/SnpDB/ .

Mesenchymal stromal cells (MSCs), also called mesenchymal stem cells, migrate and function as stromal cells in tumor tissues. The effects of MSCs on tumor growth are controversial. In this study, we showed that MSCs increase proliferation of tumor cells in vitro and promote tumor growth in vivo. We also further analyzed the mechanisms that underlie these effects. For use in in vitro and in vivo experiments, we established a bone marrow-derived mesenchymal stromal cell line from cells isolated in C57BL/6 mice. Effects of murine MSCs on tumor cell proliferation in vitro were analyzed in a coculture model with B16-LacZ cells. Both co-culture with MSCs and treatment with MSC-conditioned media led to enhanced growth of B16-LacZ cells, although the magnitude of growth stimulation in cocultured cells was greater than that of cells treated with conditioned media. Co-injection of B16-LacZ cells and MSCs into syngeneic mice led to increased tumor size compared with injection of B16-LacZ cells alone. Identical experiments using Lewis lung carcinoma (LLC) cells instead of B16-LacZ cells yielded similar results. Consistent with a role for neovascularization in MSC-mediated tumor growth, tumor vessel area was greater in tumors resulting from co-injection of B16-LacZ cells or LLCs with MSCs than in tumors induced by injection of cancer cells alone. Co-injected MSCs directly supported the tumor vasculature by localizing close to vascular walls and by expressing an endothelial marker. Furthermore, secretion of leukemia inhibitory factor, macrophage colony-stimulating factor, macrophage inflammatory protein-2 and vascular endothelial growth factor was increased in cocultures of MSCs and B16-LacZ cells compared with B16-LacZ cells alone. Together, these results indicate that MSCs promote tumor growth both in vitro and in vivo and suggest that tumor promotion in vivo may be attributable in part to enhanced angiogenesis.

Abstract The Japanese archipelago is a terminal location for human migration, and the contemporary Japanese people represent a unique population whose genomic diversity has been shaped by multiple migrations from Eurasia. Through high-coverage whole-genome sequencing (WGS) analysis of 9,850 samples from the National Center Biobank Network, we analyzed the genomic characteristics that define the genetic makeup of the modern Japanese population from a population genetics perspective. The dataset comprised populations from the Ryukyu Islands and other parts of the Japanese archipelago (Hondo). Low frequency detrimental or pathogenic variants were found in these populations. The Hondo population underwent two episodes of population decline during the Jomon period, corresponding to the Late Neolithic, and the Edo period, corresponding to the Early Modern era, while the Ryukyu population experienced a population decline during the shell midden period of the Late Neolithic in this region. Genes related to alcohol and lipid metabolism were affected by positive natural selection. Two genes related to alcohol metabolism were found to be 12,500 years out of phase with the time when they began to be affected by positive natural selection; this finding indicates that the genomic diversity of Japanese people has been shaped by events closely related to agriculture and food production. Author summary The human population in the Japanese archipelago exhibits significant genetic diversity, with the Ryukyu Islands and other parts of the archipelago (Hondo) having undergone distinct evolutionary paths that have contributed to the genetic divergence of the populations in each region. In this study, whole genome sequencing of healthy individuals from national research hospital biobanks was utilized to investigate the genetic diversity of the Japanese population. Haplotypes were inferred from the genomic data, and a thorough population genetic analysis was conducted. The results indicated not only genetic differentiation between Hondo and the Ryukyu Islands, but also marked differences in past population size. In addition, gene genealogies were inferred from the haplotypes, and the patterns were scrutinized for evidence of natural selection. This analysis revealed unique traces of natural selection in East Asian populations, many of which were believed to be linked to dietary changes brought about by agriculture and food production.

ABSTRACT Many drugs have the potential to induce the expression of drug-metabolizing enzymes, particularly cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), in hepatocytes. Hepatocytes can accurately evaluate drug-mediated CYP3A4 induction as the gold standard for in vitro hepatic toxicology test, but their lot variation is an issue to be solved. Only a limited number of immortalized hepatocyte cells have been reported. In this study, we generated an immortalized cell expressing CYP3A4 from a patient with drug-induced liver injury (DILI). To generate DILI-derived cells with a high expression of CYP3A4, we employed a three-step approach: 1. Differentiation of DILI-induced pluripotent stem cells (DILI-iPSCs); 2. Immortalization of the differentiated cells; 3. Selection of the cells with puromycin. We hypothesize that cells with a high expression of cytochrome P450 genes can survive even after exposure to cytotoxic antibiotics because of high drug-metabolism activity. Puromycin, one of the cytotoxic antibiotics, was used in this study because of its rapid cytocidal effect at a low concentration. Phenotypic studies in vitro revealed that the puromycin-selected cells (HepaSM or SI cells) constitutively expressed the CYP3A4 gene at an extremely high level, and continued to proliferate at least up to 34 population doublings for more than 250 days. The expression profiles were independent of population doublings. Drug-mediated induction test revealed that the cells significantly increased CYP3A4 after exposure to rifampicin, suggesting that the immortalized cells would serve as another useful source for in vitro examination of drug metabolism and CYP3A4 induction.

Abstract Myelomeningocele (MMC) is a congenital disease without genetic abnormalities. Neurological symptoms are irreversibly impaired after birth. No effective treatment has been reported to date. Only surgical repairs have reported so far. In this study, we performed antenatal treatment of MMC with an artificial skin using induced pluripotent stem cells (iPSCs) generated from a patient with Down syndrome (AF-T21-iPSCs) and twin–twin transfusion syndrome (AF-TTTS-iPSCs) to a rat model. We manufactured three-dimensional skin with epidermis generated from keratinocytes derived from AF-T21-iPSCs and AF-TTTS-iPSCs and dermis of human fibroblasts and collagen type I. For generation of epidermis, we developed a novel protocol using Y-27632 and epidermal growth factor. The artificial skin was successfully covered over MMC defect sites during pregnancy, implying a possible antenatal surgical treatment with iPSC technology.

Abstract Introduction Repairing damaged cartilage poses significant challenges, particularly in cases of congenital cartilage defects such as microtia or congenital tracheal stenosis, or as a consequence of traumatic injury, as the regenerative potential of cartilage is inherently limited. Stem cell therapy and tissue engineering offer promising approaches to overcome these limitations in cartilage healing. However, the challenge lies in the size of cartilage-containing organs, which necessitates a large quantity of cells to fill the damaged areas. Therefore, pluripotent stem cells that can proliferate indefinitely are highly desirable as a cell source. This study aims to delineate the differentiation conditions for cartilage derived from human embryonic stem cells (ESCs) and to develop an automated cell culture system to facilitate mass production for therapeutic applications. Methods Cartilage cell sheets were derived from human ESCs (SEES2, clinical trial-compatible line) by forming embryoid bodies (EBs) with either conventional manual culture or a benchtop multi-pipetter and an automated medium exchange integrated cell incubator, using xeno-free media. Cell sheets were implanted into the subcutaneous tissue of immunodeficient NOG mice to obtain cartilage tissue. The properties of cartilage tissues were examined by histological staining and quantitative PCR analysis. Results We have optimized an efficient xeno-free system for cartilage production with the conventional culture method and successfully transitioned to an automated system. Differentiated cartilage was histologically uniform with cartilage-specific elasticity and strength. The cartilage tissues were stained by alcian blue, safranin O, and toluidine blue, and quantitative PCR showed an increase in differentiation markers such as ACAN, COL2A1, and Vimentin. Automation significantly enhanced the efficiency of human ESC-derived chondrocyte differentiation. The number of constituent cells within EBs and the seeding density of EBs were identified as key factors influencing chondrogenic differentiation efficiency. By automating the process of chondrogenic differentiation, we achieved scalable production of chondrocytes. Conclusions By integrating the differentiation protocol with an automated cell culture system, there is potential to produce cartilage of sufficient size for clinical applications in humans. The resulting cartilage tissue holds promise for clinical use in repairing organs such as the trachea, joints, ears, and nose.