The International Stem Cell Initiative compares 125 ethnically diverse human embryonic stem cell lines at early and late passage. Data on karotype, single-nucleotide polymorphisms and methylation shed light on how the cells adapt to long-term culture. The International Stem Cell Initiative analyzed 125 human embryonic stem (ES) cell lines and 11 induced pluripotent stem (iPS) cell lines, from 38 laboratories worldwide, for genetic changes occurring during culture. Most lines were analyzed at an early and late passage. Single-nucleotide polymorphism (SNP) analysis revealed that they included representatives of most major ethnic groups. Most lines remained karyotypically normal, but there was a progressive tendency to acquire changes on prolonged culture, commonly affecting chromosomes 1, 12, 17 and 20. DNA methylation patterns changed haphazardly with no link to time in culture. Structural variants, determined from the SNP arrays, also appeared sporadically. No common variants related to culture were observed on chromosomes 1, 12 and 17, but a minimal amplicon in chromosome 20q11.21, including three genes expressed in human ES cells, ID1, BCL2L1 and HM13, occurred in >20% of the lines. Of these genes, BCL2L1 is a strong candidate for driving culture adaptation of ES cells.

The homeobox transcription factor Nanog has been proposed to play a crucial role in the maintenance of the undifferentiated state of murine embryonic stem cells. A human counterpart, NANOG, has been identified, but its function and localization have not hitherto been described. We have used a combination of RNA interference and quantitative real-time polymerase chain reaction to study NANOG in human embryonic stem and embryonic carcinoma cells. Transfection of NANOG-specific small interfering RNAs reduced levels of NANOG transcript and protein and induced activation of the extraembryonic endoderm-associated genes GATA4, GATA6, LAMININ B1, and AFP as well as upregulation of trophectoderm-associated genes CDX2, GATA2, hCG-alpha, and hCG-beta. Immunostaining of preimplantation human embryos showed that NANOG was expressed in the inner cell mass of expanded blastocysts but not in earlier-stage embryos, consistent with a role in the maintenance of pluripotency. Taken together, our findings suggest that NANOG acts as a gatekeeper of pluripotency in human embryonic stem and carcinoma cells by preventing their differentiation to extraembryonic endoderm and trophectoderm lineages.

Understanding the molecular mechanism by which pluripotency is maintained in human embryonic stem cells (hESC) is important for the development of improved methods to derive, culture and differentiate these into cells of potential therapeutic use. Large-scale transcriptional comparison of the hES-NCL1 line derived from a day 8 embryo with H1 line derived from a day 5 embryo (WiCell Inc.) showed that only 0.52% of the transcripts analysed varied significantly between the two cell lines. This is within the variability range that has been reported when hESC derived from days 5–6 embryos have been compared with each other. This implies that transcriptional differences between the cell lines are likely to reflect their genetic profile rather than the embryonic stage from which they were derived. Bioinformatic analysis of expression changes observed when these cells were induced to differentiate as embryoid bodies suggested that quite a few of the downregulated genes were components of signal transduction networks. Subsequent analysis using western blotting, flow cytometry and antibody arrays implicated components of the PI3K/AKT kinase, MAPK/ERK and NFκβ pathways and confirmed that these components are decreased upon differentiation. Disruption of these pathways in isolation using specific inhibitors resulted in loss of pluripotency and/or loss of viability suggesting the importance of such signalling pathways in embryonic stem cell maintenance.

Summary To study the development and composition of human ocular surface, we performed single cell (sc) RNA-Seq at key embryonic, fetal and adult stages and generated the first atlas of the corneal cell types from development to adulthood. Our data indicate that during development, the conjunctival epithelium is the first to be specified from the ocular surface epithelium, followed by the corneal epithelium and the establishment of proliferative epithelial progenitors, which predate the formation of limbal niche by a few weeks. Bioinformatic comparison of adult cell clusters identified GPHA2, a novel cell-surface marker for quiescent limbal stem cells (qLSCs), whose function is to maintain qLSCs self-renewal. Combining scRNA- and ATAC-Seq analysis, we identified multiple upstream regulators for qLSCs and transit amplifying (TA) cells and demonstrated a close interaction between the immune cells and epithelial stem and progenitor cells in the cornea. RNA-Seq analysis indicated loss of qLSCs and acquisition of proliferative limbal basal epithelial progenitor markers during ex vivo limbal epithelial cell expansion, independently of the culture method used. Extending the single cell analyses to keratoconus, we were able to reveal activation of collagenase in the corneal stroma and a reduced pool of TA cells in the limbal epithelium as two key changes underlying the disease phenotype. Our scRNA- and ATAC-Seq data of developing and adult cornea in steady state and disease conditions provide a unique resource for defining pathways/genes that can lead to improvement in ex vivo expansion and differentiation methods for cell based replacement therapies and better understanding and treatment of ocular surface disorders. Key findings scRNA-Seq of adult human cornea and conjunctiva reveals the signature of various ocular surface cell populations scRNA-Seq of human developing cornea identifies stage-specific definitions of corneal epithelial, stromal and endothelial layers scRNA-Seq analysis results in identification of novel markers for qLSCs and TA cells Combined scRNA- and ATAC-Seq analysis reveals key transcriptional networks in qLSCs and TA cells and close interactions with immune cells Expansion of limbal epithelium results in downregulation of qLSCs and acquisition of proliferative limbal epithelial progenitor markers scRNA-Seq of keratoconus corneas reveals activation of collagenase in the corneal stroma and a reduced pool of TA cells in the limbal epithelium Graphical abstract Schematic presentation of main techniques and findings presented in this manuscript.

Abstract Chronic pain is a global healthcare problem with a huge societal impact. Its management remains unsatisfactory, with no single treatment clinically approved in most cases. In this study we use an in vitro experimental model of erythromelalgia consisting of sensory neurons derived from human induced pluripotent stem cells obtained from a patient (carrying the mutation F1449V) and a control subject. We combine neurophysiology and computational modelling to focus on the Nav1.7 voltage gated sodium channel, which acts as an amplifier of the receptor potential in nociceptive neurons and plays a critical role in erythromelalgia due to gain of function mutations causing the channel to open with smaller depolarisations. Using multi-electrode array (extracellular) recordings, we found that the scorpion toxin OD1 increases the excitability of sensory neurons in cultures obtained from the control donor, evidenced by increased spontaneous spike rate and amplitude. In erythromelalgia cultures, the application of the Nav1.7 blocker PF-05089771 effectively stopped spontaneous firing. These results, which are in accordance with current clamp and voltage clamp recordings reported in the literature, are explained with a conductance-based computational model of a single human nociceptive neuron. The disease was simulated through a decrease of the Nav1.7 half activation voltage, which decreased the rheobase and increased the response to supra threshold depolarizing currents. This enhanced response could be successfully supressed by blocking the Nav1.7 channels. The painful effects of OD1 were simulated through a slower establishment and a quicker removal of Nav1.7 inactivation, reproducing the effects of the toxin on the spike frequency and amplitude. Our model simulations suggest that the increase in extracellular spike amplitude observed in the MEA after OD1 treatment can be due mainly to a slope increase in the ascending phase of the intracellular spike caused by impaired inactivation gating.

Summary Retinal dystrophies often lead to blindness. Developing therapeutic interventions to restore vision is therefore of paramount importance. Here we demonstrate the ability of pluripotent stem cell-derived cone precursors to engraft and restore light responses in the Pde6brd1 mouse, an end-stage photoreceptor degeneration model. Up to 1.5% of precursors integrated into the host retina, differentiated into cones and formed synapses with bipolar cells. Half of the transplanted mice exhibited visual behaviour and 33% showed binocular light sensitivity. The majority of ganglion cells exhibited contrast-sensitive ON, OFF or ON-OFF light responses and even motion sensitivity. Many cells also exhibited unusual responses (e.g. light-induced suppression), presumably reflecting remodelling of the neural retina. Our data indicate that despite relatively low engraftment yield, engrafted pluripotent stem cell-derived cone precursors can elicit light responsiveness even at advanced degeneration stages. Further work is needed to improve engraftment yield and counteract retinal remodelling to achieve useful clinical applications.

Chronic pain is a global healthcare problem with a huge societal impact. Its management remains generally unsatisfactory, with no single treatment clinically approved in most cases. In this study we use an in vitro model of erythromelalgia consisting of dorsal root ganglion neurons derived from human induced pluripotent stem cells obtained from a patient (carrying the mutation F1449V) and a control subject. We combine neurophysiology and computational modelling to focus on the Nav1.7 voltage gated sodium channel, which acts as an amplifier of the receptor potential in nociceptive neurons and plays a critical role in erythromelalgia due to gain of function mutations causing the channel to open with smaller depolarisations. Using extracellular recordings, we found that the scorpion toxin OD1 (a Nav1.7 channel opener) increases dorsal root ganglion cell excitability in cultures obtained from the control donor, evidenced by an increase in spontaneous discharges, firing rate and spike amplitude. In addition, we confirmed previous reports of voltage clamp experiments concerning an increase in spontaneous discharge in the patient cell cultures and the analgesic effects of the Nav1.7 blocker PF-05089771. Our findings are explained with a conductance-based model of the dorsal root ganglion neuron, exploring its behaviour for different values of half activation voltage and inactivation removal rate of the Nav1.7 current. Erythromelalgia was simulated through a decrease of the Nav1.7 half activation voltage, turning previously subthreshold stimuli to pain-inducing, and successfully counteracted with the channel blocker. The painful effects of OD1 were simulated through a quicker removal of Nav1.7 inactivation that reproduced the effects of the toxin not only on the spike frequency but also on its amplitude.

Abstract Molecular information on the early stages of human retinal development remains scarce due to limitations in obtaining early human eye samples. Pluripotent stem cell-derived retinal organoids provide an unprecedented opportunity for studying early retinogenesis. Using a combination of single cell RNA-Seq and spatial transcriptomics we present for the first-time a single cell spatio-temporal transcriptome of retinal organoid development. Our data demonstrate that retinal organoids recapitulate key events of retinogenesis including optic vesicle/cup formation, formation of a putative ciliary margin zone, emergence of retinal progenitor cells and their orderly differentiation to retinal neurons. Combining the scRNA-with scATAC-Seq data, we were able to reveal cell-type specific transcription factor binding motifs on accessible chromatin at each stage of organoid development and to show that chromatin accessibility is highly correlated to the developing human retina, but with some differences in the temporal emergence and abundance of some of the retinal neurons.

Mutations in pre-mRNA processing factors (PRPFs) cause 40% of autosomal dominant retinitis pigmentosa (RP), but it is unclear why mutations in ubiquitously expressed PRPFs cause retinal disease. To understand the molecular basis of this phenotype, we have generated RP type 11 (PRPF31-mutated) patient-specific retinal organoids and retinal pigment epithelium (RPE) from induced pluripotent stem cells (iPSC). Impaired alternative splicing of genes encoding pre-mRNA splicing proteins occurred in patient-specific retinal cells and Prpf31+/- mouse retinae, but not fibroblasts and iPSCs, providing mechanistic insights into retinal-specific phenotypes of PRPFs. RPE was the most affected, characterised by loss of apical-basal polarity, reduced trans-epithelial resistance, phagocytic capacity, microvilli, and cilia length and incidence. Disrupted cilia morphology was observed in patient-derived-photoreceptors that displayed progressive features associated with degeneration and cell stress. In situ gene-editing of a pathogenic mutation rescued key structural and functional phenotypes in RPE and photoreceptors, providing proof-of-concept for future therapeutic strategies.

Abstract Although tropism of SARS-CoV-2 for respiratory tract epithelial cells is well established, an open question is whether the conjunctival epithelium is also a target for SARS-CoV-2. Conjunctival epithelial cells, which express viral entry receptors ACE2 and TMPRSS2, constitute the largest exposed epithelium of the ocular surface tissue, and may represent a relevant viral entry route. To address this question, we generated an organotypic air-liquid-interface model of conjunctival epithelium, composed of progenitor, basal and superficial epithelial cells and fibroblasts, which could be maintained successfully up to day 75 of differentiation. Using single-cell RNA Seq, with complementary imaging and virological assays, we observed that while all conjunctival cell types were permissive to SARS-CoV-2 genome expression, a productive infection did not ensue. The early innate immune response to SARS-CoV-2 infection in conjunctival cells was characterised by a robust autocrine and paracrine NF-Kβ activity, without activation of antiviral interferon signalling. Collectively, these data enrich our understanding of SARS-CoV-2 infection at the human ocular surface, with potential implications for the design of preventive strategies and conjunctival transplants.