Cardiomyocytes generated from induced pluripotent cells hold great promise for understanding and treating heart disease. William Pu and his colleagues apply new technologies for studying such cardiomyocytes from patients with Barth syndrome to explore how the mitochondrial defects characteristic of this syndrome lead to heart dysfunction. Study of monogenic mitochondrial cardiomyopathies may yield insights into mitochondrial roles in cardiac development and disease. Here, we combined patient-derived and genetically engineered induced pluripotent stem cells (iPSCs) with tissue engineering to elucidate the pathophysiology underlying the cardiomyopathy of Barth syndrome (BTHS), a mitochondrial disorder caused by mutation of the gene encoding tafazzin (TAZ). Using BTHS iPSC-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs), we defined metabolic, structural and functional abnormalities associated with TAZ mutation. BTHS iPSC-CMs assembled sparse and irregular sarcomeres, and engineered BTHS 'heart-on-chip' tissues contracted weakly. Gene replacement and genome editing demonstrated that TAZ mutation is necessary and sufficient for these phenotypes. Sarcomere assembly and myocardial contraction abnormalities occurred in the context of normal whole-cell ATP levels. Excess levels of reactive oxygen species mechanistically linked TAZ mutation to impaired cardiomyocyte function. Our study provides new insights into the pathogenesis of Barth syndrome, suggests new treatment strategies and advances iPSC-based in vitro modeling of cardiomyopathy.

Of all known cultured stem cell types, pluripotent stem cells (PSCs) sit atop the landscape of developmental potency and are characterized by their ability to generate all cell types of an adult organism. However, PSCs show limited contribution to the extraembryonic placental tissues in vivo. Here, we show that a chemical cocktail enables the derivation of stem cells with unique functional and molecular features from mice and humans, designated as extended pluripotent stem (EPS) cells, which are capable of chimerizing both embryonic and extraembryonic tissues. Notably, a single mouse EPS cell shows widespread chimeric contribution to both embryonic and extraembryonic lineages in vivo and permits generating single-EPS-cell-derived mice by tetraploid complementation. Furthermore, human EPS cells exhibit interspecies chimeric competency in mouse conceptuses. Our findings constitute a first step toward capturing pluripotent stem cells with extraembryonic developmental potentials in culture and open new avenues for basic and translational research. VIDEO ABSTRACT.

Abstract Micro-RNAs (miRNAs) have been suggested to play pivotal roles in multifarious diseases associated with the posttranscriptional regulation of protein-coding genes. In this study, we aimed to investigate the function of miRNAs in type 2 diabetes mellitus. The miRNAs expression profiles were examined by miRNA microarray analysis of skeletal muscles from healthy and Goto-Kakizaki rats. We identified four up-regulated miRNAs, and 11 miRNAs that were down-regulated relative to normal individuals. Among induced miRNAs were three paralogs of miR-29, miR-29a, miR-29b, and miR-29c. Northern blotting further confirmed their elevated expression in three important target tissues of insulin action: muscle, fat, and liver of diabetic rats. Adenovirus-mediated overexpression of miR-29a/b/c in 3T3-L1 adipocytes could largely repress insulin-stimulated glucose uptake, presumably through inhibiting Akt activation. The increase in miR-29 level caused insulin resistance, similar to that of incubation with high glucose and insulin in combination, which, in turn, induced miR-29a and miR-29b expression. In this paper, we demonstrate that Akt is not the direct target gene of miR-29 and that the negative effects of miR-29 on insulin signaling might be mediated by other unknown intermediates. Taken together, these data reveal the crucial role of miR-29 in type 2 diabetes.

Calcium signaling is a central regulator of cardiomyocyte growth and function. Calmodulin is a critical mediator of calcium signals. Because the amount of calmodulin within cardiomyocytes is limiting, the precise control of calmodulin expression is important for the regulation of calcium signaling. In this study, we show for the first time that calmodulin levels are regulated posttranscriptionally in heart failure. The cardiomyocyte-restricted microRNA miR-1 inhibited the translation of calmodulin-encoding mRNAs via highly conserved target sites within their 3′ untranslated regions. In keeping with its effect on calmodulin expression, miR-1 downregulated calcium-calmodulin signaling through calcineurin to NFAT. miR-1 also negatively regulated the expression of Mef2a and Gata4, key transcription factors that mediate calcium-dependent changes in gene expression. Consistent with the downregulation of these hypertrophy-associated genes, miR-1 attenuated cardiomyocyte hypertrophy in cultured neonatal rat cardiomyocytes and in the intact adult heart. Our data indicate that miR-1 regulates cardiomyocyte growth responses by negatively regulating the calcium signaling components calmodulin, Mef2a, and Gata4.

Identification of genomic regions that control tissue-specific gene expression is currently problematic. ChIP and high-throughput sequencing (ChIP-seq) of enhancer-associated proteins such as p300 identifies some but not all enhancers active in a tissue. Here we show that co-occupancy of a chromatin region by multiple transcription factors (TFs) identifies a distinct set of enhancers. GATA-binding protein 4 (GATA4), NK2 transcription factor-related, locus 5 (NKX2-5), T-box 5 (TBX5), serum response factor (SRF), and myocyte-enhancer factor 2A (MEF2A), here referred to as “cardiac TFs,” have been hypothesized to collaborate to direct cardiac gene expression. Using a modified ChIP-seq procedure, we defined chromatin occupancy by these TFs and p300 genome wide and provided unbiased support for this hypothesis. We used this principle to show that co-occupancy of a chromatin region by multiple TFs can be used to identify cardiac enhancers. Of 13 such regions tested in transient transgenic embryos, seven (54%) drove cardiac gene expression. Among these regions were three cardiac-specific enhancers of Gata4 , Srf , and swItch/sucrose nonfermentable-related, matrix-associated, actin-dependent regulator of chromatin, subfamily d, member 3 ( Smarcd3 ), an epigenetic regulator of cardiac gene expression. Multiple cardiac TFs and p300-bound regions were associated with cardiac-enriched genes and with functional annotations related to heart development. Importantly, the large majority (1,375/1,715) of loci bound by multiple cardiac TFs did not overlap loci bound by p300. Our data identify thousands of prospective cardiac regulatory sequences and indicate that multiple TF co-occupancy of a genomic region identifies developmentally relevant enhancers that are largely distinct from p300-associated enhancers.

Abstract Recent studies have shown that meningeal lymphatic vessels (MLVs), which are located both dorsally and basally beneath the skull, provide a route for draining macromolecules and trafficking immune cells from the central nervous system (CNS) into cervical lymph nodes (CLNs), and thus represent a potential therapeutic target for treating neurodegenerative and neuroinflammatory diseases. However, the roles of MLVs in brain tumor drainage and immunity remain unexplored. Here we show that dorsal MLVs undergo extensive remodeling in mice with intracranial gliomas or metastatic melanomas. RNA-seq analysis of MLV endothelial cells revealed changes in the gene sets involved in lymphatic remodeling, fluid drainage, as well as inflammatory and immunological responses. Disruption of dorsal MLVs alone impaired intratumor fluid drainage and the dissemination of brain tumor cells to deep CLNs (dCLNs). Notably, the dendritic cell (DC) trafficking from intracranial tumor tissues to dCLNs decreased in mice with defective dorsal MLVs, and increased in mice with enhanced dorsal meningeal lymphangiogenesis. Strikingly, disruption of dorsal MLVs alone, without affecting basal MLVs or nasal LVs, significantly reduced the efficacy of combined anti-PD-1/CTLA-4 checkpoint therapy in striatal tumor models. Furthermore, mice bearing tumors overexpressing VEGF-C displayed a better response to anti-PD-1/CTLA-4 combination therapy, and this was abolished by CCL21/CCR7 blockade, suggesting that VEGF-C potentiates checkpoint therapy via the CCL21/CCR7 pathway. Together, the results of our study not only demonstrate the functional aspects of MLVs as classic lymphatic vasculature, but also highlight that they are essential in generating an efficient immune response against brain tumors.

Polycomb-repressive complex 2 (PRC2) promotes tissue-specific differentiation by depositing trimethylated histone H3 Lys 27 (H3K27me3) epigenetic marks to silence ectopic gene expression programs. Here, we show that EZH2, the catalytic subunit of PRC2, is required for cardiac morphogenesis. Both in vitro and in fetal hearts, EZH2 interacted with cardiac transcription factor GATA4 and directly methylated it at Lys 299. PRC2 methylation of GATA4 attenuated its transcriptional activity by reducing its interaction with and acetylation by p300. Our results reveal a new mechanism of PRC2-mediated transcriptional repression in which PRC2 methylates a transcription factor to inhibit its transcriptional activity.

Summary

 Binding of the transcriptional co-activator YAP with the transcription factor TEAD stimulates growth of the heart and other organs. YAP overexpression potently stimulates fetal cardiomyocyte (CM) proliferation, but YAP's mitogenic potency declines postnatally. While investigating factors that limit YAP's postnatal mitogenic activity, we found that the CM-enriched TEAD1 binding protein VGLL4 inhibits CM proliferation by inhibiting TEAD1-YAP interaction and by targeting TEAD1 for degradation. Importantly, VGLL4 acetylation at lysine 225 negatively regulated its binding to TEAD1. This developmentally regulated acetylation event critically governs postnatal heart growth, since overexpression of an acetylation-refractory VGLL4 mutant enhanced TEAD1 degradation, limited neonatal CM proliferation, and caused CM necrosis. Our study defines an acetylation-mediated, VGLL4-dependent switch that regulates TEAD stability and YAP-TEAD activity. These insights may improve targeted modulation of TEAD-YAP activity in applications from cardiac regeneration to cancer.

GATA4 and GATA6 are central cardiac transcriptional regulators. The postnatal, stage-specific function of the cardiac transcription factors GATA4 and GATA6 have not been evaluated. In part, this is because current Cre-loxP approaches to cardiac gene inactivation require time consuming and costly breeding of Cre-expressing and "floxed" mouse lines, often with limited control of the extent or timing of gene inactivation. We investigated the stage-specific functions of GATA4 and GATA6 in the postnatal heart by using adeno-associated virus serotype 9 to control the timing and extent of gene inactivation by Cre. Systemic delivery of recombinant, adeno-associated virus 9 (AAV9) expressing Cre from the cardiac specific Tnnt2 promoter was well tolerated and selectively and efficiently recombined floxed target genes in cardiomyocytes. AAV9:Tnnt2-Cre efficiently inactivated Gata4 and Gata6. Neonatal Gata4/6 inactivation caused severe, rapidly lethal systolic heart failure. In contrast, Gata4/6 inactivation in adult heart caused only mild systolic dysfunction but severe diastolic dysfunction. Reducing the dose of AAV9:Tnnt2-Cre generated mosaics in which scattered cardiomyocytes lacked Gata4/6. This mosaic knockout revealed that Gata4/6 are required cell autonomously for physiological cardiomyocyte growth. Our results define novel roles of GATA4 and GATA6 in the neonatal and adult heart. Furthermore, our data demonstrate that evaluation of gene function hinges on controlling the timing and extent of gene inactivation. AAV9:Tnnt2-Cre is a powerful tool for controlling these parameters.

ABSTRACT An efficient, generalizable method for genome-wide mapping of single-cell histone modifications or chromatin-binding proteins is so far lacking. Here we develop CoBATCH, co mbinatorial b arcoding a nd t argeted ch romatin release, for single-cell profiling of genomic distribution of chromatin-binding proteins in cell culture and tissue. Protein A in fusion to Tn5 transposase is enriched through specific antibodies to genomic regions and Tn5 generates indexed chromatin fragments ready for the library preparation and sequencing. Importantly, through a combinatorial barcoding strategy, we are able to measure epigenomic features up to tens of thousands single cells per experiment. CoBATCH produces not only high signal-to-noise features, but also ~10,000 reads per cells, allowing for efficiently deciphering epigenetic heterogeneity of cell populations and subtypes and inferring developmental histories. Thus, obviating specialized device, CoBATCH is easily deployable for any laboratories in life science and medicine.