Abstract The human spinal cord forms well-organized neural circuits for environment sensing and motor behavior. The three-dimensional (3D) induction of the spinal cord-like tissue from human pluripotent stem cells has been reported, but they often do not mimic morphological features of neurulation and their maturity is limited. Here, we report an advanced 3D culture system for the production of human spinal cord-like organoids (hSCOs) suitable for the scale-up and quantitative studies. The hSCOs exhibited many aspects of spinal cord development, including neurulation-like tube-forming morphogenesis, differentiation of the major spinal cord neurons and glial cells, and mature synaptic functional activities. We further demonstrated that hSCOs platform allowed quantitative and systematic high-throughput examination of the potential risk of neural tube defects induced by antiepileptic drugs. Thus, hSCOs can be used for understanding human spinal cord development, disease modeling, and toxicology screening.

Abstract Brain organoid research is advancing, but generation of organoids with proper axis formation, which could lead to spatially ordered structures for complex brain structure and function, still remains a challenge. Axis formation and related spatial cell organization in the CNS are initiated by the symmetry breaking during the early embryo development. It has been demonstrated that the geometrically confined culture of human pluripotent stem cells (hPSCs) can be used to induce symmetry breaking and regionalized cell differentiation. In this study, we generated a polarized spinal cord organoid with a self-organized dorsoventral (DV) organization, using 2D cell patterning by geometric confinement. Initially, the application of caudalization signals to hPSCs promoted the regionalized cell differentiation along the radial axis and sprouting-like protrusion morphogenesis in cell colonies confined to ECM protein micropatterns. Detachment of colonies turned them into extended spinal cord-like organoids which maintained center- and edge-derived two poles. Further analyses including single cell RNA sequencing and spatial transcriptome analysis unveiled that these organoids contained rich repertoire of developing spinal cord cells and exhibited the spatially ordered DV domain formation along the long axis without external organizing signals. Modulation of BMP and Shh signaling can control the extent of DV coverage in organoids following the principles of embryo patterning. Our study provides a simple, and precisely controllable method to generate spatially-ordered organoids for understanding of biological principles of cell patterning and axis formation during neural development.

Abstract EBV latent infection in gastric carcinoma (GC) cells is characterized by distinct viral gene expression programs. CCCTC-binding factor (CTCF) is a chromatin structural factor that has been involved in coordinated chromatin interactions between multiple loci of Epstein-Barr virus (EBV) genes. Here, we investigate the role of CTCF in regulating EBV gene expression and chromosome conformation in model of EBV-associated gastric carcinoma (EBVaGC). Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing (ChIP-seq) against CTCF revealed 16 CTCF binding sites (BS) in EBV genome of EBVaGC, SNU719 cells. Among the CTCF BSs, one site named as BARTp (BamHI A right transcript promoter) CTCF BS is located at upstream of 11.8-kb BART region (EBV genome: 139724-151554) and was not yet defined its biological functions in EBV life cycle. EBV BART encodes a complex miRNA cluster of highly spliced transcripts that is implicated in EBV cancer pathogenesis. This present study investigated the functional role of the CTCF binding site at BARTp (BARTp CTCF BS) in regulating EBV gene transcription and EBV three-dimensional (3D) genome structure as DNA loop maker. Circular chromatin confirmation capture (4C)-seq and chromatin confirmation capture (3C)-semi-quantitative(sq)PCR assays using SNU719 cells revealed that BARTp CTCF BS interacts with CTCF BSs of LMP1/2, Cp/OriP, and Qp in EBV genome. We generated mutations in BARTp CTCF BS (S13) in bacmids with (BART + ) or without (BART − ) the 11.8-kb BART transcript unit (B(+/−)). ChIP-qPCR assay demonstrated that CTCF binding was ablated from BARTp in EBV B(+/−) S13 − genomes (mutant S13), elevated at several other sites such as LMP1, OriP , and Cp in EBV B(-) (BART − ) S13 − genome, and decreased at the same sites in EBV B(+) S13 − genome. Infection assay showed that BARTp CTCF BS mutation reduced infectivity, while BART transcript deletion has no detectable effects. Gene expression tests showed that EBNA1 was highly downregulated in B(+/−) S13 − EBVs related to B(+/−) S13 + EBVs (wild-type S13). LMP1 and BZLF1 were more downregulated in B(-) S13 − EBV than B(+) S13 − EBV. Taken together, these findings suggest that the CTCF binding and BART region contribute to EBV 3D genome structure via a cluster of DNA loops formed by BARTp CTCF BS (S13) and are important for coordinated viral gene expression and EBV infectivity.