Endurance exercise training can promote an adaptive muscle fiber transformation and an increase of mitochondrial biogenesis by triggering scripted changes in gene expression. However, no transcription factor has yet been identified that can direct this process. We describe the engineering of a mouse capable of continuous running of up to twice the distance of a wild-type littermate. This was achieved by targeted expression of an activated form of peroxisome proliferator-activated receptor δ (PPARδ) in skeletal muscle, which induces a switch to form increased numbers of type I muscle fibers. Treatment of wild-type mice with PPARδ agonist elicits a similar type I fiber gene expression profile in muscle. Moreover, these genetically generated fibers confer resistance to obesity with improved metabolic profiles, even in the absence of exercise. These results demonstrate that complex physiologic properties such as fatigue, endurance, and running capacity can be molecularly analyzed and manipulated.

Members of the myocyte enhancer factor-2 (MEF2) family of transcription factors associate with myogenic basic helix-loop-helix transcription factors such as MyoD to activate skeletal myogenesis. MEF2 proteins also interact with the class II histone deacetylases HDAC4 and HDAC5, resulting in repression of MEF2-dependent genes. Execution of the muscle differentiation program requires release of MEF2 from repression by HDACs, which are expressed constitutively in myoblasts and myotubes. Here we show that HDAC5 shuttles from the nucleus to the cytoplasm when myoblasts are triggered to differentiate. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) signalling, which stimulates myogenesis and prevents formation of MEF2-HDAC complexes, also induces nuclear export of HDAC4 and HDAC5 by phosphorylation of these transcriptional repressors. An HDAC5 mutant lacking two CaMK phosphorylation sites is resistant to CaMK-mediated nuclear export and acts as a dominant inhibitor of skeletal myogenesis, whereas a cytoplasmic HDAC5 mutant is unable to block efficiently the muscle differentiation program. Our results highlight a mechanism for transcriptional regulation through signal- and differentiation-dependent nuclear export of a chromatin-remodelling enzyme, and suggest that nucleo-cytoplasmic trafficking of HDACs is involved in the control of cellular differentiation.

The heart responds to stress signals by hypertrophic growth, which is accompanied by activation of the MEF2 transcription factor and reprogramming of cardiac gene expression. We show here that class II histone deacetylases (HDACs), which repress MEF2 activity, are substrates for a stress-responsive kinase specific for conserved serines that regulate MEF2-HDAC interactions. Signal-resistant HDAC mutants lacking these phosphorylation sites are refractory to hypertrophic signaling and inhibit cardiomyocyte hypertrophy. Conversely, mutant mice lacking the class II HDAC, HDAC9, are sensitized to hypertrophic signals and exhibit stress-dependent cardiomegaly. Thus, class II HDACs act as signal-responsive suppressors of the transcriptional program governing cardiac hypertrophy and heart failure.

The adult heart responds to stress signals by hypertrophic growth, which is often accompanied by activation of a fetal cardiac gene program and eventual cardiac demise. We showed previously that histone deacetylase 9 (HDAC9) acts as a suppressor of cardiac hypertrophy and that mice lacking HDAC9 are sensitized to cardiac stress signals. Here we report that mice lacking HDAC5 display a similar cardiac phenotype and develop profoundly enlarged hearts in response to pressure overload resulting from aortic constriction or constitutive cardiac activation of calcineurin, a transducer of cardiac stress signals. In contrast, mice lacking either HDAC5 or HDAC9 show a hypertrophic response to chronic β-adrenergic stimulation identical to that of wild-type littermates, suggesting that these HDACs modulate a specific subset of cardiac stress response pathways. We also show that compound mutant mice lacking both HDAC5 and HDAC9 show a propensity for lethal ventricular septal defects and thin-walled myocardium. These findings reveal central roles for HDACs 5 and 9 in the suppression of a subset of cardiac stress signals as well as redundant functions in the control of cardiac development.

Abstract

 Skeletal muscle differentiation is controlled by associations between myogenic basic-helix-loop-helix and MEF2 transcription factors. We show that chromatin associated with muscle genes regulated by these transcription factors becomes acetylated during myogenesis and that class II histone deacetylases (HDACs), which interact with MEF2, specifically suppress myoblast differentiation. These HDACs do not interact directly with MyoD, yet they suppress its myogenic activity through association with MEF2. Elevating the level of MyoD can override the repression imposed by HDACs on muscle genes. HDAC-mediated repression of myogenesis also can be overcome by CaM kinase and insulin-like growth factor (IGF) signaling. These findings reveal central roles for HDACs in chromatin remodeling during myogenesis and as intranuclear targets for signaling pathways controlled by IGF and CaM kinase.

Skeletal muscle differentiation is controlled by interactions between myocyte enhancer factor-2 (MEF2) and myogenic basic helix—loop–helix transcription factors. Association of MEF2 with histone deacetylases (HDAC) -4 and -5 results in repression of MEF2 target genes and inhibition of myogenesis. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) signaling promotes myogenesis by disrupting MEF2–HDAC complexes and stimulating HDAC nuclear export. To further define the mechanisms that confer CaMK responsiveness to HDAC4 and -5, we performed yeast two-hybrid screens to identify HDAC-interacting factors. These screens revealed interactions between HDAC4 and members of the 14-3-3 family of proteins, which function as signal-dependent intracellular chaperones. HDAC4 binds constitutively to 14-3-3 in yeast and mammalian cells, whereas HDAC5 binding to 14-3-3 is largely dependent on CaMK signaling. CaMK phosphorylates serines -259 and -498 in HDAC5, which subsequently serve as docking sites for 14-3-3. Our studies suggest that 14-3-3 binding to HDAC5 is required for CaMK-dependent disruption of MEF2–HDAC complexes and nuclear export of HDAC5, and implicate 14-3-3 as a signal-dependent regulator of muscle cell differentiation.

Adult differentiated cells can be reprogrammed into pluripotent stem cells or lineage-restricted proliferating precursors in culture; however, this has not been demonstrated in vivo. Here, we show that the single transcription factor SOX2 is sufficient to reprogram resident astrocytes into proliferative neuroblasts in the adult mouse brain. These induced adult neuroblasts (iANBs) persist for months and can be generated even in aged brains. When supplied with BDNF and noggin or when the mice are treated with a histone deacetylase inhibitor, iANBs develop into electrophysiologically mature neurons, which functionally integrate into the local neural network. Our results demonstrate that adult astrocytes exhibit remarkable plasticity in vivo, a feature that might have important implications in regeneration of the central nervous system using endogenous patient-specific glial cells. Adult differentiated cells can be reprogrammed to lineage-restricted proliferating neural precursors in vitro. Zhang and colleagues show that the transcription factor SOX2 is sufficient to reprogram resident astrocytes in the mouse brain to neuroblasts that can proliferate and differentiate following treatment with histone deacetylase inhibitors and differentiating factors BDNF and noggin.

Spinal cord injury (SCI) leads to irreversible neuronal loss and glial scar formation, which ultimately result in persistent neurological dysfunction. Cellular regeneration could be an ideal approach to replenish the lost cells and repair the damage. However, the adult spinal cord has limited ability to produce new neurons. Here we show that resident astrocytes can be converted to doublecortin (DCX)-positive neuroblasts by a single transcription factor, SOX2, in the injured adult spinal cord. Importantly, these induced neuroblasts can mature into synapse-forming neurons in vivo. Neuronal maturation is further promoted by treatment with a histone deacetylase inhibitor, valproic acid (VPA). The results of this study indicate that in situ reprogramming of endogenous astrocytes to neurons might be a potential strategy for cellular regeneration after SCI. Expression of the transcription factor SOX2 reprogrammes astrocytes into neuroblasts in the adult mouse striatum. Here, the authors use the same approach in the injured adult mouse spinal cord to convert resident astrocytes into neuroblasts that can mature into synapse-forming neurons.

Cell fate can be reprogrammed by modifying intrinsic and extrinsic cues. Here we show that two small molecules (forskolin and dorsomorphin) enable the transcription factor Neurogenin 2 (NGN2) to convert human fetal lung fibroblasts into cholinergic neurons with high purity (>90%) and efficiency (up to 99% of NGN2-expressing cells). The conversion is direct without passing through a proliferative progenitor state. These human induced cholinergic neurons (hiCN) show mature electrophysiological properties and exhibit motor neuron-like features, including morphology, gene expression and the formation of functional neuromuscular junctions. Inclusion of an additional transcription factor, SOX11, also efficiently converts postnatal and adult skin fibroblasts from healthy and diseased human patients to cholinergic neurons. Taken together, this study identifies a simple and highly efficient strategy for reprogramming human fibroblasts to subtype-specific neurons. These findings offer a unique venue for investigating the molecular mechanisms underlying cellular plasticity and human neurodegenerative diseases.