Efficient differentiation of embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) to a variety of lineages requires step-wise approaches replicating the key commitment stages found during embryonic development. Here we show that expression of PdgfR-α segregates mouse ESC-derived Flk-1 mesoderm into Flk-1(+)PdgfR-α(+) cardiac and Flk-1(+)PdgfR-α(-) hematopoietic subpopulations. By monitoring Flk-1 and PdgfR-α expression, we found that specification of cardiac mesoderm and cardiomyocytes is determined by remarkably small changes in levels of Activin/Nodal and BMP signaling. Translation to human ESCs and iPSCs revealed that the emergence of cardiac mesoderm could also be monitored by coexpression of KDR and PDGFR-α and that this process was similarly dependent on optimal levels of Activin/Nodal and BMP signaling. Importantly, we found that individual mouse and human pluripotent stem cell lines require optimization of these signaling pathways for efficient cardiac differentiation, illustrating a principle that may well apply in other contexts.

Cardiomyocytes generated from human pluripotent stem cells have many potential applications in drug screening, disease modeling and cell therapy. Dubois et al. describe a cell-surface marker that allows the isolation of highly enriched populations of cardiomyocytes from differentiation cultures. To identify cell-surface markers specific to human cardiomyocytes, we screened cardiovascular cell populations derived from human embryonic stem cells (hESCs) against a panel of 370 known CD antibodies. This screen identified the signal-regulatory protein alpha (SIRPA) as a marker expressed specifically on cardiomyocytes derived from hESCs and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), and PECAM, THY1, PDGFRB and ITGA1 as markers of the nonmyocyte population. Cell sorting with an antibody against SIRPA allowed for the enrichment of cardiac precursors and cardiomyocytes from hESC/hiPSC differentiationcultures, yielding populations of up to 98% cardiac troponin T-positive cells. When plated in culture, SIRPA-positive cells were contracting and could be maintained over extended periods of time. These findings provide a simple method for isolating populations of cardiomyocytes from human pluripotent stem cell cultures, and thereby establish a readily adaptable technology for generating large numbers of enriched cardiomyocytes for therapeutic applications.

Access to robust and information-rich human cardiac tissue models would accelerate drug-based strategies for treating heart disease. Despite significant effort, the generation of high-fidelity adult-like human cardiac tissue analogs remains challenging. We used computational modeling of tissue contraction and assembly mechanics in conjunction with microfabricated constraints to guide the design of aligned and functional 3D human pluripotent stem cell (hPSC)-derived cardiac microtissues that we term cardiac microwires (CMWs). Miniaturization of the platform circumvented the need for tissue vascularization and enabled higher-throughput image-based analysis of CMW drug responsiveness. CMW tissue properties could be tuned using electromechanical stimuli and cell composition. Specifically, controlling self-assembly of 3D tissues in aligned collagen, and pacing with point stimulation electrodes, were found to promote cardiac maturation-associated gene expression and in vivo-like electrical signal propagation. Furthermore, screening a range of hPSC-derived cardiac cell ratios identified that 75% NKX2 Homeobox 5 (NKX2-5)+ cardiomyocytes and 25% Cluster of Differentiation 90 OR (CD90)+ nonmyocytes optimized tissue remodeling dynamics and yielded enhanced structural and functional properties. Finally, we demonstrate the utility of the optimized platform in a tachycardic model of arrhythmogenesis, an aspect of cardiac electrophysiology not previously recapitulated in 3D in vitro hPSC-derived cardiac microtissue models. The design criteria identified with our CMW platform should accelerate the development of predictive in vitro assays of human heart tissue function.

Abstract Association of chromatin with lamin proteins at the nuclear periphery has emerged as a potential mechanism to coordinate cell type-specific gene expression and maintain cellular identity via gene silencing. Unlike many histone modifications and chromatin-associated proteins, lamin-associated domains (LADs) have yet to be mapped genome-wide in a diverse panel of human cell types, which has limited our understanding of the role peripheral chromatin plays in development and disease. To address this gap, we mapped LAMIN B1 (LB1) across twelve human cell types encompassing pluripotent stem cells, intermediate progenitors, and differentiated cells from all three germ layers. Integrative analyses of this atlas of peripheral chromatin with publicly available genomic data, as well as gene expression and repressive histone maps generated for this study, revealed that in all twelve cellular contexts lamin-associated chromatin is organized into at least two subtypes defined by differences in LB1 occupancy, gene expression, chromatin accessibility, transposable elements, replication timing, and radial positioning. Most genes gain or lose LB1 occupancy consistent with their cell type along developmental trajectories; however, we also identified examples where the enhancer, but not the gene body and promoter, change LAD state. Imaging of fluorescently labeled DNA in single cells validated these transitions and showed intermediate radial positioning of LADs that are gene dense, relatively accessible, and dynamic across development. This atlas represents the largest resource to date for peripheral chromatin organization studies.

ABSTRACT While much progress has been made in understanding early cardiac development, the precise mechanisms that specify the different cardiomyocyte subtypes remain poorly understood. Recent data from our lab have shown that transient Foxa2 expression identifies a progenitor population with exclusive ventricular differentiation potential in the mouse heart. Here we have translated this concept to the human pluripotent stem cell (hPSC) system. Using a FOXA2-GFP reporter cell line we characterized expression of FOXA2 during hPSC cardiac differentiation and found that a subset of cardiac mesoderm precursors transiently expresses FOXA2 . Gene expression analysis of FOXA2+ and FOXA2- cardiac mesoderm revealed that both populations similarly express early cardiac specification markers such as PDGFRA, TBX5 , and ISL1 , while other key candidates including TBX20 and GATA4 are significantly upregulated in the FOXA2+ population. Isolation and subsequent differentiation of FOXA2+ and FOXA2- populations demonstrates their comparable differentiation potential to both cardiomyocytes and epicardial cells. However, cardiomyocytes derived from FOXA2+ precursors showed enhanced differentiation efficiency toward ventricular cardiomyocytes compared to cardiomyocytes derived from FOXA2- precursors. To identify new mechanisms that regulate ventricular specification, we performed small molecule screening and found that inhibition of the EGFR pathway strongly increased the cardiac mesoderm population in general, and the FOXA2+ precursors in particular. Finally, we have identified a combination of cell surface markers to specifically isolate FOXA2+ cardiac precursors. In summary, our results suggest that FOXA2+ cardiac mesoderm harbors ventricular-specific differentiation potential and isolation of these cells permits the generation of cultures enriched for ventricular cardiomyocytes. Generating such enriched cardiac populations will be relevant for regenerative medicine approaches, as well as for disease modeling from induced pluripotent stem cells.

Summary A library of well-characterized human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines from clinically healthy human subjects could serve as a useful resource of normal controls for in vitro human development, disease modeling, genotype-phenotype association studies, and drug response evaluation. We report generation and extensive characterization of a gender-balanced, racially/ethnically diverse library of hiPSC lines from 40 clinically healthy human individuals who range in age from 22-61. The hiPSCs match the karyotype and short tandem repeat identity of their parental fibroblasts, and have a transcription profile characteristic of pluripotent stem cells. We provide whole genome sequencing data for one hiPSC clone from each individual, genomic ancestry determination, and analysis of Mendelian disease genes and risks. We document similar transcriptomic profiles, single-cell RNA-seq derived cell clusters and physiology of cardiomyocytes differentiated from multiple independent hiPSC lines. This extensive characterization makes this hiPSC library a valuable resource for many studies on human biology.

Abstract The specification and differentiation of atrial and ventricular myocardial cell types during development is incompletely understood. We have previously shown that Foxa2 expression during gastrulation identifies a population of ventricular fated progenitors, allowing for labeling of these cells prior to the morphogenetic events that lead to chamber formation and acquisition of bona fide atrial or ventricular identity. In this study, we performed single cell RNA sequencing of Foxa2Cre;mTmG embryos at the cardiac crescent (E8.25), primitive heart tube (E8.75) and heart tube (E9.25) stage in order to understand the transcriptional mechanisms underlying formation of atrial and ventricular cell types at the earliest stages of cardiac development. We find that progression towards differentiated myocardial cell types occurs primarily based on heart field progenitor identity, and that different progenitor populations contribute to ventricular or atrial identity through separate differentiation mechanisms. We identified a number of candidate markers that define such differentiation processes, as well as differential regulation of metabolic processes that distinguish atrial and ventricular fated cells at the earliest stages of development. We further show that exogenous injection with retinoic acid during formation of the cardiac primordia causes defects in ventricular chamber size and is associated with dysregulation in FGF signaling in anterior second heart field cells and a shunt in differentiation towards orthogonal lineages. Retinoic acid also causes defects in cell-cycle exit in myocardial committed progenitors that result in formation of hypomorphic ventricles with decreased expression of important metabolic processes and sarcomere assembly. Collectively, our data identify, at a single cell level, distinct lineage trajectories during cardiac progenitor cell specification and differentiation, and the precise effects of manipulating cardiac progenitor field patterning via exogenous retinoic acid signaling.

Abstract Millions suffer from incurable lung diseases, and the donor lung shortage hampers organ transplants. Identifying the crucial lineage and the program for lung organogenesis could facilitate designing whole-lung bioengineering. Using lineage-tracing mice and human iPSC-derived lung-directed differentiation, we revealed that gastrulating Foxa2 lineage contributed to both lung mesenchyme and epithelium formation. Interestingly, Foxa2 lineage-derived cells in the lung mesenchyme progressively increased and occupied more than half of the mesenchyme niche, including endothelial cells, during lung development. Foxa2 promoter-driven, conditional Fgfr2 gene depletion caused the lung agenesis phenotype in mice. Importantly, wild-type donor mouse iPSCs injected into their blastocysts rescued this phenotype by complementing the Fgfr2-defective niche in the lung epithelium and mesenchyme. Donor cell is shown to replace the entire lung epithelial and robust mesenchymal niche during early chimeric lung development, resulting in efficient complementation of the nearly entire lung niche at the late stage of lung development. These results suggest that lung complementation based on the Foxa2 lineage is a unique model for the progressive mobilization of donor cells into both epithelial and mesenchymal lung niches and provides crucial insights for designing new bioengineering strategies to generate whole lungs.

Abstract Drug-induced gene expression profiles can identify potential mechanisms of toxicity. We focused on obtaining signatures for cardiotoxicity of FDA-approved tyrosine kinase inhibitors (TKIs) in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes. Using bulk transcriptomics profiles, we applied singular value decomposition to identify drug-selective patterns in cell lines obtained from multiple healthy human subjects. Cellular pathways affected by highly cardiotoxic TKIs include energy metabolism, contractile, and extracellular matrix dynamics. Projecting these pathways to single cell expression profiles indicates that TKI responses can be evoked in both cardiomyocytes and fibroblasts. Whole genome sequences of the cell lines, using outlier responses enabled us to correctly reidentify a genomic variant associated with anthracycline cardiotoxicity and predict genomic variants potentially associated with TKI cardiotoxicity. We conclude that mRNA expression profiles when integrated with publicly available genomic, pathway, and single cell transcriptomic datasets, provide multiscale predictive understanding of cardiotoxicity for drug development and patient stratification. One sentence summary Genes, pathways, and cell types of the human heart associated with antineoplastic drug cardiotoxicity.

During development multiple progenitor populations contribute to the formation of the four-chambered heart and its diverse lineages. However, the underlying mechanisms that result in the specification of these progenitor populations are not yet fully understood. We have previously identified a population of cells that gives rise selectively to the heart ventricles but not the atria. Here, we have used this knowledge to transcriptionally profile subsets of cardiac mesoderm from the mouse embryo and have identified an enrichment for Notch signaling components in ventricular progenitors. Using directed differentiation of human pluripotent stem cells, we next investigated the role of Notch in cardiac mesoderm specification in a temporally controlled manner. We show that transient Notch induction in mesoderm increases cardiomyocyte differentiation efficiency, while maintaining cardiomyocytes in an immature state. Finally, our data suggest that Notch interacts with WNT to enhance commitment to the cardiac lineage. Overall, our findings support the notion that key signaling events during early heart development are critical for proper lineage specification and provide evidence for early roles of Notch and WNT during mouse and human heart development.