Summary

 Satb2 is a DNA-binding protein that regulates chromatin organization and gene expression. In the developing brain, Satb2 is expressed in cortical neurons that extend axons across the corpus callosum. To assess the role of Satb2 in neurons, we analyzed mice in which the Satb2 locus was disrupted by insertion of a LacZ gene. In mutant mice, β-galactosidase-labeled axons are absent from the corpus callosum and instead descend along the corticospinal tract. Satb2 mutant neurons acquire expression of Ctip2, a transcription factor that is necessary and sufficient for the extension of subcortical projections by cortical neurons. Conversely, ectopic expression of Satb2 in neural stem cells markedly decreases Ctip2 expression. Finally, we find that Satb2 binds directly to regulatory regions of Ctip2 and induces changes in chromatin structure. These data suggest that Satb2 functions as a repressor of Ctip2 and regulatory determinant of corticocortical connections in the developing cerebral cortex.

Summary

 Vertebrate skeletogenesis involves two processes, skeletal patterning and osteoblast differentiation. Here, we show that Satb2, encoding a nuclear matrix protein, is expressed in branchial arches and in cells of the osteoblast lineage. Satb2^−/− mice exhibit both craniofacial abnormalities that resemble those observed in humans carrying a translocation in SATB2 and defects in osteoblast differentiation and function. Multiple osteoblast-specific genes were identified as targets positively regulated by SATB2. In addition, SATB2 was found to repress the expression of several Hox genes including Hoxa2, an inhibitor of bone formation and regulator of branchial arch patterning. Molecular analysis revealed that SATB2 directly interacts with and enhances the activity of both Runx2 and ATF4, transcription factors that regulate osteoblast differentiation. This synergy was genetically confirmed by bone formation defects in Satb2/Runx2 and Satb2/Atf4 double heterozygous mice. Thus, SATB2 acts as a molecular node in a transcriptional network regulating skeletal development and osteoblast differentiation.

ABSTRACT Studying the dynamics of three-dimensional (3D) chromatin structure is essential to understand biological processes in the cell nucleus. Recent publications based on integrative analysis of multi-omics studies have provided comprehensive and multilevel insights into 3D genome organization emphasizing its role during transcriptional regulation. While enhancers are regulatory elements that play a central role in the spatiotemporal control of gene expression, chromatin looping has been broadly accepted as a means for enhancer-promoter interactions allowing them to stablish cell-type-specific gene expression signatures. On the other hand, G-quadruplexes (G4s) are non-canonical DNA secondary structures that are both, enriched at promoters and related to increased gene expression. However, the role of G4s in promoter-distal regulatory elements, such as super-enhancers (SE), as well as in 3D genome organization and chromatin looping mediating long-range enhancer-promoter interactions has remained elusive. Here we show that mature microRNA 9 ( miR-9 ) is enriched at promoters and SE of genes that are inducible by tissue growth factor beta 1 (TGFB1) signaling. Further, we found that nuclear miR-9 is required for chromatin features related to increased transcriptional activity, such as broad domains of the euchromatin histone mark H3K4me3 (histone 3 tri-methylated lysine 4) and G4s. Moreover, we show that nuclear miR-9 is required for promoter-super-enhancer looping. Our study places a nuclear microRNA in the same structural and functional context with G4s and promoter-enhancer interactions during 3D genome organization and transcriptional activation induced by TGFB1 signaling, a critical regulator of proliferation programs in cancer and fibrosis.

Abstract Aims Advanced age is unequivocally linked to the development of cardiovascular disease, however, the mechanisms leading to loss of endothelial cell regenerative capacity during aging remain poorly understood. Here we aimed to investigate novel mechanisms involved in endothelial cell senescence, that impact on endothelial cell transcription and the vascular repair response upon injury Methods and results RNA sequencing of a unique collection of native endothelial cells from young and aged individuals, showed that aging (20 vs. 80 years) is characterized by p53- mediated reprogramming to promote the expression of senescence-associate genes. Molecular analysis revelead that p53 accumulated and acetylated in the nucleus of aged human endothelial cells to suppress glycolysis. Metabolic flux analysis identified an associated reduction in glucose uptake and ATP availability that inhibited the assembly of the telomerase complex, which was essential for proliferation. Nuclear translocation of p53 in aged endothelial cells was attributed to the loss of the vasoprotective enzyme, cystathionine γ-lyase (CSE), which physically anchored p53 in the cytosol. In mice, loss of endothelial cell CSE activated p53 and arrested vascular repair upon injury, while the AAV9 mediated re-expression of an active CSE mutant retained p53 in the cytosol, maintained endothelial glucose metabolism and proliferation, and prevented endothelial cell senescence. Adenoviral overexpression of CSE in human native aged endothelial cells maintained low p53 activity and re-activated telomerase to revert endothelial cell senescence. Conclusion Our data identified the interaction between CSE and p53 as a promising target to preserve vascular regeneration during aging. Key Question To identify the mechanisms that regulate endothelial cell senescence under native conditions and their impact on vascular repair in aging. Key Finding Lack of a physical interaction between CSE and p53 metabolically reprogrammes endothelial cells to reduce telomerase activity and halt endothelial cell regeneration. Take home message Interventions to increase CSE expression represent a novel therapy against p53-induced endothelial cell cycle arrest and senescense Translational perspective Endothelial rejuvenation strategies could serve as promising therapies against age-related cardiovascular diseases. By investigating human native endothelial cells from young and aged individuals, we identified that the age-related nuclear accumulation of p53 reprograms endothelial cell metabolism, regulates telomerase activity and inhibits endothelial cell regeneration. Nuclear localization of p53 resulted from a loss of its interaction with the cysteine catabolizing enzyme cystathionine γ-lyase in the cytoplasm. Enhancing the physical interaction of p53 with CSE by gene therapy could revert endothelial cell senescence and activate endothelial reparative responses.

In addition to nucleosomes, chromatin also contains non-histone chromatin-associated proteins, of which the high-mobility group (HMG) proteins are the most abundant. Chromatin-mediated regulation of transcription involves DNA methylation and histone modifications. However, the order of events and the precise function of HMG proteins during transcription initiation remain unclear. Here we show that HMG AT-hook 2 protein (HMGA2) induces DNA nicks at the transcription start site, which are required by the histone chaperone FACT (facilitates chromatin transcription) complex to incorporate nucleosomes containing the histone variant H2A.X. Further, phosphorylation of H2A.X at S139 (γ-H2AX) is required for repair-mediated DNA demethylation and transcription activation. The relevance of these findings is demonstrated within the context of TGFB1 signaling and idiopathic pulmonary fibrosis, suggesting therapies against this lethal disease. Our data support that chromatin opening during transcriptional initiation involves intermediates with DNA breaks that subsequently require DNA repair mechanisms to ensure the integrity of the genome.

Abstract Background Vascular networks form, remodel and mature under the influence of both fluid shear stress (FSS) and soluble factors. For example, FSS synergizes with Bone Morphogenic Protein 9 (BMP9) and BMP10 to promote and maintain vascular stability. Mutation of the BMP receptors ALK1, Endoglin or the downstream effector SMAD4 leads to Hereditary Hemorrhagic Telangiectasia (HHT), characterized by fragile and leaky arterial-venous malformations (AVMs). But how endothelial cells (EC) integrate FSS and BMP signals in normal vascular development and homeostasis, and how mutations give rise to malformations is not well understood. Results Here we show that loss of Smad4 in murine ECs increases cells’ sensitivity to flow and the resulting AVMs are characterized by excessive elongation and polarity against the flow. Smad4 deletion also blocks the anti-proliferative response to high FSS, leading to loss of arterial identity. Our data show that loss of cell cycle arrest leads to loss of arterial identity, which is essential in AVM formation upon Smad4 depletion in ECs. Excessive flow-induced activation of KLF4-PI3K/AKT due to Cyclin dependent Kinase (CDK) activation mediates the aberrant morphological responses to flow triggering AVM formation. Conclusions Our results show that loss of polarization against the flow is not required for AVM formation upon EC Smad4 depletion. Instead, increased EC proliferation-mediated loss of arterial identity due to flow-induced PI3K/Akt/Cdks hyperactivation and Klf4 over-expression are the main events associated with AVM formation.

Signal-responsive gene expression is essential for vascular development, yet the mechanisms integrating signaling inputs with transcriptional activities are largely unknown. Here we show that RNF20, the primary E3 ubiquitin ligase for histone H2B, plays a multifaceted role in sprouting angiogenesis. RNF20 mediates RNA polymerase (Pol II) promoter-proximal pausing at genes highly paused in endothelial cells, involved in VEGFA signaling, stress response, cell cycle control and mRNA splicing. It also orchestrates large-scale mRNA processing events that alter the bioavailability and function of critical pro-angiogenic factors, such as VEGFA. Mechanistically, RNF20 restricts ERG-dependent Pol II pause release at highly paused genes while binding to Notch1 to promote H2B monoubiquitination at Notch target genes and Notch-dependent gene expression. This balance is crucial, as loss of Rnf20 leads to uncontrolled tip cell specification. Our findings highlight the pivotal role of RNF20 in regulating VEGF-Notch signaling circuits during vessel growth, underscoring its potential for therapeutic modulation of angiogenesis.

Pathological cardiac remodeling predisposes individuals to developing heart failure. Here, we investigated two co-regulated long non-coding RNAs (lncRNAs), termed

Cardiovascular diseases, both congenital and acquired, are the leading cause of death worldwide, associated with significant health consequences and economic burden. Due to major advances in surgical procedures, most patients with congenital heart disease (CHD) survive into adulthood but suffer from previously unrecognized long-term consequences, such as early-onset heart failure. Therefore, understanding the molecular mechanisms resulting in heart defects and the lifelong complications due to hemodynamic overload are of utmost importance. Congenital heart disease arises in the first trimester of pregnancy, due to defects in the complex morphogenetic patterning of the heart. This process is coordinated through a complicated web of intercellular communication between the epicardium, the endocardium, and the myocardium. In the postnatal heart, similar crosstalk between cardiomyocytes, endothelial cells, and fibroblasts exists during pathological hemodynamic overload that emerges as a consequence of a congenital heart defect. Ultimately, communication between cells triggers the activation of intracellular signaling circuits, which allow fine coordination of cardiac development and function. Here, we review the inter- and intracellular signaling mechanisms in the heart as they were discovered mainly in genetically modified mice.

Abstract Small cell lung cancer (SCLC) is an extremely aggressive lung cancer type with a patient median survival of 6-12 months. Epidermal growth factor (EGF) signaling plays an important role in triggering SCLC. In addition, growth factor-dependent signals and alpha-, beta-integrin (ITGA, ITGB) heterodimer receptors functionally cooperate and integrate their signaling pathways. However, the precise role of integrins in EGF receptor (EGFR) activation in SCLC has remained elusive. We analyzed RNA-sequencing data, human precision-cut lung slices (hPCLS), retrospectively collected human lung tissue samples and cell lines to demonstrate that non-canonical ITGB2 signaling activates EGFR and RAS/MAPK/ERK signaling in SCLC. Further, we identified a novel SCLC gene expression signature consisting of 93 transcripts that were induced by ITGB2, which might be used for stratification of SCLC patients, prognosis prediction of LC patients and development of patient-tailored therapies. We also found by proteomic analysis a cell-cell communication mechanism based on extracellular vesicles (EVs) containing ITGB2, which were secreted by SCLC cells and induced in control human lung tissue RAS/MAPK/ERK signaling and SCLC markers. We uncovered a mechanism of ITGB2-mediated EGFR activation in SCLC that explains EGFR-inhibitor resistance independently of EGFR mutations, suggesting the development of therapies targeting ITGB2 for patients with this extremely aggressive lung cancer type.