Loss of pluripotency is a gradual event whose initiating factors are largely unknown. Here we report the earliest metabolic changes induced during the first hours of differentiation. High-resolution NMR identified 44 metabolites and a distinct metabolic transition occurring during early differentiation. Metabolic and transcriptional analyses showed that pluripotent cells produced acetyl-CoA through glycolysis and rapidly lost this function during differentiation. Importantly, modulation of glycolysis blocked histone deacetylation and differentiation in human and mouse embryonic stem cells. Acetate, a precursor of acetyl-CoA, delayed differentiation and blocked early histone deacetylation in a dose-dependent manner. Inhibitors upstream of acetyl-CoA caused differentiation of pluripotent cells, while those downstream delayed differentiation. Our results show a metabolic switch causing a loss of histone acetylation and pluripotent state during the first hours of differentiation. Our data highlight the important role metabolism plays in pluripotency and suggest that a glycolytic switch controlling histone acetylation can release stem cells from pluripotency.

Background In about 10% of patients worldwide and more than 50% of patients in Israel, cystic fibrosis results from nonsense mutations (premature stop codons) in the messenger RNA (mRNA) for the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). PTC124 is an orally bioavailable small molecule that is designed to induce ribosomes to selectively read through premature stop codons during mRNA translation, to produce functional CFTR. Methods This phase II prospective trial recruited adults with cystic fibrosis who had at least one nonsense mutation in the CFTR gene. Patients were assessed in two 28-day cycles. During the first cycle, patients received PTC124 at 16 mg/kg per day in three doses every day for 14 days, followed by 14 days without treatment; in the second cycle, patients received 40 mg/kg of PTC124 in three doses every day for 14 days, followed by 14 days without treatment. The primary outcome had three components: change in CFTR-mediated total chloride transport; proportion of patients who responded to treatment; and normalisation of chloride transport, as assessed by transepithelial nasal potential difference (PD) at baseline, at the end of each 14-day treatment course, and after 14 days without treatment. The trial was registered with who.int/ictrp, and with clinicaltrials.gov, number NCT00237380. Findings Transepithelial nasal PD was evaluated in 23 patients in the first cycle and in 21 patients in the second cycle. Mean total chloride transport increased in the first treatment phase, with a change of −7·1 (SD 7·0) mV (p<0·0001), and in the second, with a change of −3·7 (SD 7·3) mV (p=0·032). We recorded a response in total chloride transport (defined as a change in nasal PD of −5 mV or more) in 16 of the 23 patients in the first cycle's treatment phase (p<0·0001) and in eight of the 21 patients in the second cycle (p<0·0001). Total chloride transport entered the normal range for 13 of 23 patients in the first cycle's treatment phase (p=0·0003) and for nine of 21 in the second cycle (p=0·02). Two patients given PTC124 had constipation without intestinal obstruction, and four had mild dysuria. No drug-related serious adverse events were recorded. Interpretation In patients with cystic fibrosis who have a premature stop codon in the CFTR gene, oral administration of PTC124 to suppress nonsense mutations reduces the epithelial electrophysiological abnormalities caused by CFTR dysfunction. Funding PTC Therapeutics, Cystic Fibrosis Foundation Therapeutics.

Summary Regulatory changes are broadly accepted as key drivers of phenotypic divergence. However, identifying regulatory changes that underlie human-specific traits has proven very challenging. Here, we use 63 DNA methylation maps of ancient and present-day humans, as well as of six chimpanzees, to detect differentially methylated regions that emerged in modern humans after the split from Neanderthals and Denisovans. We show that genes affecting the face and vocal tract went through particularly extensive methylation changes. Specifically, we identify widespread hypermethylation in a network of face- and voice-affecting genes ( SOX9 , ACAN , COL2A1 , NFIX and XYLT1 ). We propose that these repression patterns appeared after the split from Neanderthals and Denisovans, and that they might have played a key role in shaping the modern human face and vocal tract.

Abstract Background Many neurodegenerative diseases (NDs) develop only later in life, when cells in the nervous system lose their structure or function. In genetic forms of NDs, this late onset phenomenon remains largely unexplained. Results Analyzing single cell RNA sequencing (scRNA-seq) from Alzheimer’s disease (AD) patients, we find increased transcriptional heterogeneity in AD excitatory neurons. We hypothesized that transcriptional heterogeneity precedes ND pathologies. To test this idea experimentally, we used juvenile forms (72Q; 180Q) of Huntington’s disease (HD) iPSCs, differentiated them into committed neuronal progenitors, and obtained single cell expression profiles. We show a global increase in gene expression variability in HD. Autophagy genes become more stable, while energy and actin-related genes become more variable in the mutant cells. Knocking-down several differentially-variable genes resulted in increased aggregate formation, a pathology associated with HD. We further validated the increased transcriptional heterogeneity in CHD8 +/- cells, a model for autism spectrum disorder. Conclusions Overall, our results suggest that although NDs develop over time, transcriptional regulation imbalance is present already at very early developmental stages. Therefore, an intervention aimed at this early phenotype may be of high diagnostic value.

Abstract Chromocenters are established after the 2-cell (2C) stage during mouse embryonic development, but the factors that mediate chromocenter formation remain largely unknown. To identify regulators of 2C heterochromatin establishment, we generated an inducible system to convert embryonic stem cells (ESCs) to 2C-like cells. This conversion is marked by a global reorganization and dispersion of H3K9me3-heterochromatin foci, which are then reversibly formed upon re-entry into pluripotency. Profiling the chromatin-bound proteome (chromatome) by genome capture of ESCs transitioning to 2C-like cells, we uncover chromatin regulators involved in de novo heterochromatin formation. We identified TOPBP1 and investigated its binding partner SMARCAD1. SMARCAD1 and TOPBP1 associate with H3K9me3-heterochromatin in ESCs. Interestingly, the nuclear localization of SMARCAD1 is lost in 2C-like cells. SMARCAD1 or TOPBP1 depletion in mouse embryos lead to developmental arrest, reduction of H3K9me3 and remodeling of heterochromatin foci. Collectively, our findings contribute to comprehending the maintenance of chromocenters during early development.