The adult mammalian heart possesses little regenerative potential following injury. Fibrosis due to activation of cardiac fibroblasts impedes cardiac regeneration and contributes to loss of contractile function, pathological remodelling and susceptibility to arrhythmias. Cardiac fibroblasts account for a majority of cells in the heart and represent a potential cellular source for restoration of cardiac function following injury through phenotypic reprogramming to a myocardial cell fate. Here we show that four transcription factors, GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5, can cooperatively reprogram adult mouse tail-tip and cardiac fibroblasts into beating cardiac-like myocytes in vitro. Forced expression of these factors in dividing non-cardiomyocytes in mice reprograms these cells into functional cardiac-like myocytes, improves cardiac function and reduces adverse ventricular remodelling following myocardial infarction. Our results suggest a strategy for cardiac repair through reprogramming fibroblasts resident in the heart with cardiogenic transcription factors or other molecules. A combination of four transcription factors, GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5, can reprogram fibroblasts into cardiac-like myocytes in vitro and in vivo; expression of these factors ameliorated cardiac function in mice that had suffered myocardial infarction. The neonatal mammalian heart can regenerate following injury, but adult mammalian hearts have limited capacity for regeneration. Here Eric Olson and colleagues show that a cocktail of four transcription factors — GATA4, HAND2, MEF2C and TBX5 — can reprogram adult fibroblasts into cardiomyocytes in vitro. They then take the same approach in vivo, using a retrovirus to deliver the transcription factors to the hearts of mice and demonstrate that expression of these four transcription factors reprograms non-myocytes to cardiomocytes and attenuates cardiac dysfunction after myocardial infarction.

Class IIa histone deacetylases (HDACs) regulate a variety of cellular processes, including cardiac growth, bone development, and specification of skeletal muscle fiber type. Multiple serine/threonine kinases control the subcellular localization of these HDACs by phosphorylation of common serine residues, but whether certain class IIa HDACs respond selectively to specific kinases has not been determined. Here we show that calcium/calmodulin-dependent kinase II (CaMKII) signals specifically to HDAC4 by binding to a unique docking site that is absent in other class IIa HDACs. Phosphorylation of HDAC4 by CaMKII promotes nuclear export and prevents nuclear import of HDAC4, with consequent derepression of HDAC target genes. In cardiomyocytes, CaMKII phosphorylation of HDAC4 results in hypertrophic growth, which can be blocked by a signal-resistant HDAC4 mutant. These findings reveal a central role for HDAC4 in CaMKII signaling pathways and have implications for the control of gene expression by calcium signaling in a variety of cell types.

Reprogramming of mouse fibroblasts toward a myocardial cell fate by forced expression of cardiac transcription factors or microRNAs has recently been demonstrated. The potential clinical applicability of these findings is based on the minimal regenerative potential of the adult human heart and the limited availability of human heart tissue. An initial but mandatory step toward clinical application of this approach is to establish conditions for conversion of adult human fibroblasts to a cardiac phenotype. Toward this goal, we sought to determine the optimal combination of factors necessary and sufficient for direct myocardial reprogramming of human fibroblasts. Here we show that four human cardiac transcription factors, including GATA binding protein 4, Hand2, T-box5, and myocardin, and two microRNAs, miR-1 and miR-133, activated cardiac marker expression in neonatal and adult human fibroblasts. After maintenance in culture for 4–11 wk, human fibroblasts reprogrammed with these proteins and microRNAs displayed sarcomere-like structures and calcium transients, and a small subset of such cells exhibited spontaneous contractility. These phenotypic changes were accompanied by expression of a broad range of cardiac genes and suppression of nonmyocyte genes. These findings indicate that human fibroblasts can be reprogrammed to cardiac-like myocytes by forced expression of cardiac transcription factors with muscle-specific microRNAs and represent a step toward possible therapeutic application of this reprogramming approach.

Direct reprogramming of fibroblasts into cardiomyocytes by forced expression of cardiomyogenic factors, GMT (GATA4, Mef2C, Tbx5) or GHMT (GATA4, Hand2, Mef2C, Tbx5), has recently been demonstrated, suggesting a novel therapeutic strategy for cardiac repair. However, current approaches are inefficient. Here we demonstrate that pro-fibrotic signalling potently antagonizes cardiac reprogramming. Remarkably, inhibition of pro-fibrotic signalling using small molecules that target the transforming growth factor-β or Rho-associated kinase pathways converts embryonic fibroblasts into functional cardiomyocyte-like cells, with the efficiency up to 60%. Conversely, overactivation of these pro-fibrotic signalling networks attenuates cardiac reprogramming. Furthermore, inhibition of pro-fibrotic signalling dramatically enhances the kinetics of cardiac reprogramming, with spontaneously contracting cardiomyocytes emerging in less than 2 weeks, as opposed to 4 weeks with GHMT alone. These findings provide new insights into the molecular mechanisms underlying cardiac conversion of fibroblasts and would enhance efforts to generate cardiomyocytes for clinical applications.

Abstract Trisomy 21 causes Down syndrome, a condition characterized by cognitive impairments, immune dysregulation, and atypical morphogenesis. Using whole blood transcriptome analysis, we demonstrate that specific overexpression of four interferon receptors encoded on chromosome 21 associates with chronic interferon hyperactivity and systemic inflammation in Down syndrome. To define the contribution of interferon receptor overexpression to Down syndrome phenotypes, we used genome editing to correct interferon receptor gene dosage in mice carrying triplication of a large genomic region orthologous to human chromosome 21. Normalization of interferon receptor copy number attenuated lethal antiviral responses, prevented heart malformations, decreased developmental delays, improved cognition and normalized craniofacial anomalies. Therefore, interferon receptor gene dosage determines major hallmarks of Down syndrome, indicating that trisomy 21 elicits an interferonopathy amenable to therapeutic intervention. One-Sentence Summary Correction of interferon receptor gene dosage rescues multiple key phenotypes in a mouse model of trisomy 21.

Direct reprogramming of fibroblasts into cardiomyocytes (CMs) represents a promising strategy to regenerate CMs lost after ischemic heart injury. Overexpression of GATA4, HAND2, MEF2C, TBX5, miR-1, and miR-133 (GHMT2m) along with transforming growth factor beta (TGFbeta) inhibition efficiently promotes reprogramming. However, the mechanisms by which TGFbeta; blockade promotes cardiac reprogramming remain unknown. Here, we identify interactions between the histone H3 lysine 27 trimethylation (H3K27me3), demethylase JMJD3, the SWI/SNF remodeling complex subunit BRG1, and cardiac transcription factors. Furthermore, canonical TGFbeta; signaling regulates the interaction between GATA4 and JMJD3. TGF-beta; activation impairs the ability of GATA4 to bind target genes and prevents demethylation of H3K27 at cardiac gene promoters during cardiac reprogramming. Finally, a mutation in GATA4 (V267M) exhibits reduced binding to JMJD3 and impaired cardiomyogenesis. Thus, we have identified an epigenetic mechanism wherein canonical TGFbeta; pathway activation impairs cardiac gene programming by interfering with GATA4-JMJD3 interactions.

During postnatal cardiac hypertrophy, cardiomyocytes undergo mitotic exit, relying on DNA replication-independent mechanisms of histone turnover to maintain chromatin organization and gene transcription. In other tissues, circadian oscillations in nucleosome occupancy influence clock-controlled gene expression, suggesting a role for the circadian clock in temporal control of histone turnover and coordinated cardiomyocyte gene expression. To elucidate roles for the master circadian transcription factor, Bmal1, in histone turnover, chromatin organization, and myocyte-specific gene expression and cell growth in the neonatal period. Bmal1 knockdown in neonatal rat ventricular myocytes (NRVM) decreased myocyte size, total cellular protein synthesis, and transcription of the fetal hypertrophic gene Nppb following treatment with serum or the α-adrenergic agonist phenylephrine (PE). Depletion of Bmal1 decreased expression of clock-controlled genes Per2 and Tcap, as well as Sik1, a Bmal1 target upregulated in adult versus embryonic hearts. Bmal1 knockdown impaired Per2 and Sik1 promoter accessibility as measured by MNase-qPCR and impaired histone turnover as measured by metabolic labeling of acid-soluble chromatin fractions. Sik1 knockdown in turn decreased myocyte size, while simultaneously inhibiting Nppb transcription and activating Per2 transcription. Linking these changes to chromatin remodeling, depletion of the replication-independent histone variant H3.3a inhibited myocyte hypertrophy and prevented PE-induced changes in clock-controlled gene transcription. Bmal1 is required for neonatal myocyte growth, replication-independent histone turnover, and chromatin organization at the Sik1 promoter. Sik1 represents a novel clock-controlled gene that coordinates myocyte growth with hypertrophic and clock-controlled gene transcription. Replication-independent histone turnover is required for transcriptional remodeling of clock-controlled genes in cardiac myocytes in response to growth stimuli.

Rationale: Human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) are a powerful platform for biomedical research. However, they are immature, which is a barrier to modeling adult-onset cardiovascular disease. Objective: We sought to develop a simple method which could drive cultured hiPSC-CMs towards maturity across a number of phenotypes. Methods and results: Cells were cultured in fatty acid-based media and plated on micropatterned surfaces to promote alignment and elongation. These cells display many characteristics of adult human cardiomyocytes, including elongated cell morphology, enhanced maturity of sarcomeric structures, metabolic behavior, and increased myofibril contractile force. Most notably, hiPSC-CMs cultured under optimal maturity-inducing conditions recapitulate the pathological hypertrophy caused by either a pro-hypertrophic agent or genetic mutations. Conclusions: The more mature hiPSC-CMs produced by the methods described here will serve as a useful in vitro platform for characterizing cardiovascular disease.

Little is known about the biological function of histone deacetylase 11 (HDAC11), which is the lone class IV HDAC. Here, we demonstrate that deletion of HDAC11 in mice stimulates brown adipose tissue (BAT) formation and beiging of white adipose tissue (WAT). Consequently, HDAC11-deficient mice exhibit dramatically enhanced thermogenic potential and, in response to high fat feeding, attenuated obesity, insulin resistance, and hepatic steatosis. Ex vivo and cell-based assays revealed that HDAC11 catalytic activity suppresses the BAT transcriptional program, in both the basal state and in response to β-adrenergic receptor signaling, through a mechanism that is dependent on physical association with BRD2, a bromodomain and extraterminal (BET) acetyl-histone binding protein. These findings define a novel epigenetic pathway for the regulation of energy homeostasis, and suggest potential for HDAC11-selective inhibitors for the treatment of obesity and diabetes.

Small molecule inhibitors of the acetyl-histone binding protein BRD4 have been shown to block cardiac fibrosis in pre-clinical models of heart failure (HF). However, the mechanisms by which BRD4 promotes pathological myocardial fibrosis remain unclear. Here, we demonstrate that BRD4 functions as an effector of TGF-β signaling to stimulate conversion of quiescent cardiac fibroblasts into Periostin (Postn)-positive cells that express high levels of extracellular matrix. BRD4 undergoes stimulus-dependent, genome-wide redistribution in cardiac fibroblasts, becoming enriched on a subset of enhancers and super-enhancers, and leading to RNA polymerase II activation and expression of downstream target genes. Employing the SERTA domain-containing protein 4 (Sertad4) locus as a prototype, we demonstrate that dynamic chromatin targeting of BRD4 is controlled, in part, by p38 mitogen-activated protein kinase, and provide evidence of a novel function for Sertad4 in TGF-β-mediated cardiac fibroblast activation. These findings define BRD4 as a central regulator of the pro-fibrotic cell state of cardiac fibroblasts, and establish a signaling circuit for epigenetic reprogramming in HF.