Abstract Culture expansion of primary cells evokes highly reproducible DNA methylation (DNAm) changes at specific sites in the genome. These changes might be due to an directly regulated epigenetic process, or to gradual deregulation of the epigenetic state, which is often referred to as “epigenetic drift”. We have identified CG dinucleotides (CpGs) that become continuously hyper- or hypomethylated in the course of culture expansion of mesenchymal stem cells (MSCs) and other cell types. During reprogramming into induced pluripotent stem cells (iPSCs) particularly the culture-associated hypomethylation is reversed simultaneously with age-associated and pluripotency-associated DNAm changes. Bisulfite barcoded amplicon sequencing (BBA-seq) demonstrated that upon passaging the DNAm patterns of neighboring CpGs become more complex without evidence of continuous pattern development and without association to oligoclonal subpolulations of MSCs at later passages. Circularized chromatin conformation capture (4C) revealed reproducible changes in nuclear organization between early and late passages, while there was no preferential interaction with other genomic regions that also harbor culture-associated DNAm changes. Chromatin immunoprecipitation of CTCF did not show significant differences during long-term culture of MSCs, however culture-associated hypermethylation was enriched at CTCF binding sites and hypomethylated CpGs were devoid of CTCF. Taken together, our results indicate that DNAm changes during culture-expansion resembles epigenetic drift, which seems to occur in relation to chromatin conformation.

Transplantation of human hematopoietic stem cells into immunodeficient mice provides a powerful in vivo model system to gain functional insights into hematopoietic differentiation. So far, it remains unclear if epigenetic changes of normal human hematopoiesis are recapitulated upon engraftment into such "humanized mice". Mice have a much shorter life expectancy than men, and therefore we hypothesized that the xenogeneic environment might greatly accelerate the epigenetic clock. We demonstrate that genome-wide DNA methylation patterns of normal human hematopoietic development are indeed recapitulated upon engraftment in mice - particularly those of normal early B cell progenitor cells. Furthermore, we tested three epigenetic aging signatures and none of them indicated that the murine environment accelerated age-associated DNA methylation changes. These results demonstrate that the murine transplantation model overall recapitulates epigenetic changes of human hematopoietic development, whereas epigenetic aging seems to occur cell intrinsically.

Abstract There are two known mechanisms by which natural killer (NK) cells recognize and kill diseased targets: (i) direct killing and (ii) antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). We investigated an indirect NK cell activation strategy for the enhancement of human NK cell killing function. We did this by leveraging the fact that toll-like receptor 9 (TLR9) agonism within pools of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) results in a robust interferon signaling cascade that leads to NK cell activation. After TLR9 agonist stimulation, NK cells were enriched and incorporated into assays to assess their ability to kill tumor cell line targets. Notably, differential impacts of TLR9 agonism were observed—direct killing was enhanced while ADCC was not increased. To ensure that the observed differential effects were not attributable to differences between human donors, we recapitulated the observation using our Natural Killer—Simultaneous ADCC and Direct Killing Assay (NK-SADKA) that controls for human-to-human differences. Next, we observed a treatment-induced decrease in NK cell surface CD16—known to be shed by NK cells post-activation. Given the essential role of CD16 in ADCC, such shedding could account for the observed differential impact of TLR9 agonism on NK cell-mediated killing capacity.

Ageing-relevant processes, like cellular senescence, are characterized by complex, often stochastic, events giving rise to heterogeneous cell populations. We hypothesized that entry into senescence of different primary human cells can be triggered by one early molecular event affecting the spatial organization of chromosomes. To test this, we combined whole-genome chromosome conformation capture, population and single-cell transcriptomics, super-resolution imaging, and functional analyses applied on proliferating and replicatively-senescent populations from three distinct human cell types. We found a number of genes involved in DNA conformation maintenance being suppressed upon senescence across cell types. Of these, the abundant high mobility group (HMG) B1 and B2 nuclear factors are quantitatively removed from cell nuclei before typical senescence markers appear, and mark a subset of topologically-associating domain (TAD) boundaries. Their loss coincides with obvious reorganization of chromatin interactions via the dramatic spatial clustering of CTCF foci. HMGB2 knock-down recapitulates this senescence-induced CTCF clustering, while also affecting insulation at TAD boundaries. We accordingly propose that HMGB-mediated deregulation of chromosome conformation constitutes a primer for the ensuing senescent program across cell types.

Aging causes epigenetic modifications, which are utilized as a biomarker for the aging process. While genome-wide DNA methylation profiles enable robust age-predictors by integration of many age-associated CG dinucleotides (CpGs), there are various alternative approaches for targeted measurements at specific CpGs that better support standardized and cost-effective high-throughput analysis. In this study, we utilized 4,650 Illumina BeadChip datasets of blood to select the best suited CpG sites for targeted analysis. DNA methylation analysis at these sites with either pyrosequencing or droplet digital PCR (ddPCR) revealed a high correlation with chronological age. In comparison, bisulfite barcoded amplicon sequencing (BBA-seq) gave slightly lower precision at individual CpGs. However, BBA-seq data revealed that the correlation of methylation levels with age at neighboring CpG sites follows a bell-shaped curve, often accompanied by a CTCF binding site at the peak. We demonstrate that within individual BBA-seq reads the DNA methylation at neighboring CpGs is not coherently modified but reveals a stochastic pattern. Based on this, we have developed an alternative model for epigenetic age predictions based on the binary sequel of methylated and non-methylated sites in individual reads, which reflects heterogeneity in epigenetic aging within a sample. Thus, the stochastic evolution of age-associated DNA methylation patterns, which seems to resemble epigenetic drift, enables epigenetic clocks for individual DNA strands.

Abstract Age-associated DNA methylation reflects aspects of biological aging - therefore epigenetic clocks for mice can help to elucidate the impact of treatments or genetic background on the aging process in this model organism. Initially, age-predictors for mice were trained on genome-wide DNA methylation profiles, whereas we have recently described a targeted assay based on pyrosequencing of DNA methylation at only three CG dinucleotides (CpGs). Here, we have re-evaluated pyrosequencing approaches in comparison to droplet digital PCR (ddPCR) and barcoded bisulfite amplicon sequencing (BBA-seq). At individual CpGs the correlation of DNA methylation with chronological age was slightly higher for pyrosequencing and ddPCR as compared to BBA-seq. On the other hand, BBA-seq revealed that neighboring CpGs tend to be stochastically modified in murine age-associated regions. Furthermore, the binary sequel of methylated and non-methylated CpGs in individual reads can be used for single-read predictions, which may reflect heterogeneity in epigenetic aging. In comparison to C57BL/6 mice the epigenetic age-predictions using BBA-seq were also accelerated in the shorter-lived DBA/2 mice, and in C57BL/6 mice with a lifespan quantitative trait locus of DBA/2 mice. Taken together, we describe further optimized and alternative targeted methods to determine epigenetic clocks in mice.

Visual processing depends on sensitive and balanced synaptic neurotransmission. Extracellular matrix proteins in the environment of cells are key modulators in synaptogenesis and synaptic plasticity. In the present study, we provide evidence that the combined loss of the four extracellular matrix components brevican, neurocan, tenascin-C and tenascin-R in quadruple knockout mice leads to severe retinal dysfunction and diminished visual motion processing in vivo. Remarkably, impaired visual motion processing was accompanied by a developmental loss of cholinergic direction-selective starburst amacrine cells. Additionally, we noted imbalance of inhibitory and excitatory synaptic signaling in the quadruple knockout retina. Collectively, the study offers novel insights into the functional importance of four key extracellular matrix proteins for retinal function, visual motion processing and synaptic integrity.

Summary DNA methyltransferase 3A ( DNMT3A ) is a frequently mutated gene in many hematological malignancies, indicating that it may be essential for hematopoietic differentiation. Here, we addressed the functional relevance of DNMT3A for differentiation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) by knocking out exon 2, 19, or 23. Exon 19 -/- and 23 -/- lines revealed absence of almost the entire de novo DNA methylation during mesenchymal and hematopoietic differentiation. Yet, differentiation was only slightly reduced in exon 19 -/- and increased in exon 23 -/- lines, whereas there was no significant impact on gene expression in hematopoietic progenitors (iHPCs). Notably, DNMT3A -/- iHPCs recapitulate some DNA methylation differences of acute myeloid leukemia with DNMT3A mutations. Furthermore, multicolor genetic barcoding revealed competitive growth advantage of exon 23 -/- iHPCs. Our results demonstrate that de novo DNA methylation during hematopoietic differentiation of iPSCs is almost entirely dependent on DNMT3A and exon 23 -/- iHPCs even gained growth advantage.

The vascular niche plays a crucial role in regulating hematopoiesis, and the presence of JAK2V617F endothelial cells (EC) in myeloproliferative neoplasms (MPN) underscores its therapeutic significance. Leveraging patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSC) harboring JAK2WT or the MPN-driver JAK2V617F (heterozygous, JAK2V617F HET or homozygous, JAK2V617F HOM ), we developed a scalable 3D bone marrow (BM)-niche mimicking model to study neoplastic vasculogenesis with precise control over cellularity and genetics. Global RNA-sequencing revealed zygosity-dependent phenotypic differences in EC, with JAK2V617F HET iPSC-derived EC (iEC) shifting toward a pro-mesenchymal phenotype via endothelial-to-mesenchymal transition (EndMT), while JAK2V617F HOM iEC displayed dysregulated translation machinery. EndMT was exacerbated in JAK2V617F HET iEC-mesenchymal stromal cells 3D cocultures exposed to inflammatory cytokines and was effectively inhibited by the tyrosine kinase inhibitors ruxolitinib and nintedanib. Notably, interferon-alpha (IFNα) showed potential in reducing EndMT, with its anti-EndMT effect validated in vivo in murine and MPN patient samples. Single-cell RNA sequencing revealed that JAK2V617F hematopoietic cells further amplified EndMT, emphasizing the interplay between the vascular niche and hematopoietic compartments. To our knowledge, this is the first study to report that IFNαs anti-fibrotic and anti-angiogenic effects may be partly mediated through EndMT inhibition. Our 3D coculture model offers a powerful platform for mechanistic studies of human hematopoiesis.