CRISPR/Cas9 has revolutionized our ability to engineer genomes and conduct genome-wide screens in human cells1–3. Whereas some cell types are amenable to genome engineering, genomes of human pluripotent stem cells (hPSCs) have been difficult to engineer, with reduced efficiencies relative to tumour cell lines or mouse embryonic stem cells3–13. Here, using hPSC lines with stable integration of Cas9 or transient delivery of Cas9-ribonucleoproteins (RNPs), we achieved an average insertion or deletion (indel) efficiency greater than 80%. This high efficiency of indel generation revealed that double-strand breaks (DSBs) induced by Cas9 are toxic and kill most hPSCs. In previous studies, the toxicity of Cas9 in hPSCs was less apparent because of low transfection efficiency and subsequently low DSB induction3. The toxic response to DSBs was P53/TP53-dependent, such that the efficiency of precise genome engineering in hPSCs with a wild-type P53 gene was severely reduced. Our results indicate that Cas9 toxicity creates an obstacle to the high-throughput use of CRISPR/Cas9 for genome engineering and screening in hPSCs. Moreover, as hPSCs can acquire P53 mutations14, cell replacement therapies using CRISPR/Cas9-enginereed hPSCs should proceed with caution, and such engineered hPSCs should be monitored for P53 function. CRISPR–Cas9-induced DNA damage triggers p53 to limit the efficiency of gene editing in human pluripotent cells.

ABSTRACT Tissue development and repair throughout life depends on the availability of multipotent mesenchymal stem/progenitor cells capable of differentiating into specialized cell types. How an appropriately sized pool of such multipotent progenitors is maintained under varied signals for tissue growth and repair is unknown. We addressed this question by monitoring fate trajectories of human adipose tissue-derived multipotent progenitor cells using single-cell transcriptomics. Homogenous multipotent progenitors underwent two distinct fate trajectories rapidly upon induction of adipose differentiation– one toward the adipocyte fate, and the other towards a distinct, non-differentiated state characterized by up-regulation of canonical Wnt target genes. Upon isolation, this latter cell population was able to resume proliferation and display multipotency. Using canonical Wnt agonists and antagonists we find Wnt signaling is required for the maintenance of this multipotent pool under differentiation stimulus. In vivo , these cells are retained in adipose tissue developed from human multipotent progenitor cells in immunocompromised mice, and their transcriptomic signature is detected in human adult adipose tissue. Our study reveals a previously unrecognized mechanism for maintaining a functional pool of human mesenchymal progenitor cells under conditions of differentiation pressure, driven by Wnt signaling.

Human pluripotent stem cells (hPSCs) generate a wide variety of disease-relevant cells that can be used to improve the translation of preclinical research. Despite the potential of hPSCs, their use for genetic screening has been limited because of technical challenges. We developed a renewable Cas9/sgRNA-hPSC library where loss-of-function mutations can be induced at will. Our inducible-mutant hPSC library can be used for an unlimited number of genome-wide screens. We screened for novel genes involved in 3 of the fundamental properties of hPSCs: Their ability to self-renew/survive, their capacity to differentiate into somatic cells, and their inability to survive as single-cell clones. We identified a plethora of novel genes with unidentified roles in hPSCs. These results are available as a resource for the community to increase the understanding of both human development and genetics. In the future, our stem cell library approach will be a powerful tool to identify disease-modifying genes.

The uncoupling protein 1 (UCP1) is induced in brown or "beige" adipocytes through catecholamine-induced cAMP signaling, which activates diverse transcription factors. UCP1 expression can also be enhanced by PPARγ agonists such as rosiglitazone (Rsg). However, it is unclear whether this upregulation results from de-novo differentiation of beige adipocytes from progenitor cells, or from the induction of UCP1 in pre-existing adipocytes. To explore this, we employed human adipocytes differentiated from progenitor cells and examined their acute response to Rsg, to the adenylate-cyclase activator forskolin (Fsk), or to both simultaneously.

CRISPR/Cas9 has revolutionized our ability to engineer genomes and to conduct genome-wide screens in human cells. While some cell types are easily modified with Cas9, human pluripotent stem cells (hPSCs) poorly tolerate Cas9 and are difficult to engineer. Using a stable Cas9 cell line or transient delivery of ribonucleoproteins (RNPs) we achieved an average insertion or deletion efficiency greater than 80%. This high efficiency made it apparent that double strand breaks (DSBs) induced by Cas9 are toxic and kill most treated hPSCs. Cas9 toxicity creates an obstacle to the high-throughput use CRISPR/Cas9 for genome-engineering and screening in hPSCs. We demonstrated the toxic response is tp53-dependent and the toxic effect of tp53 severely reduces the efficiency of precise genome-engineering in hPSCs. Our results highlight that CRISPR-based therapies derived from hPSCs should proceed with caution. Following engineering, it is critical to monitor for tp53 function, especially in hPSCs which spontaneously acquire tp53 mutations.

ABSTRACT Adipocyte lipid droplets (LDs) play a crucial role in systemic lipid metabolism by storing and releasing lipids to meet the organism’s energy needs. Hormonal signals such as catecholamines and insulin act on adipocyte LDs, and impaired responsiveness to these signals can lead to uncontrolled lipolysis, lipotoxicity, and a higher risk of metabolic diseases. To investigate the mechanisms that control LD function in human adipocytes, we employed techniques to obtain mesenchymal progenitor cells on a large scale and applied proximity labeling mediated by enhanced ascorbate peroxidase (APEX2) to identify the interactome of PLIN1 in differentiated adipocytes. We identified 70 proteins that interact specifically with PLIN1, including PNPLA2 and LIPE, which are the primary effectors of regulated triglyceride hydrolysis, and four members of the 14-3-3 protein family (YWHAB, YWHAE, YWHAZ, and YWHAG), which are known to regulate diverse signaling pathways. Functional studies showed that YWHAB is required for maximum cAMP-stimulated lipolysis and helps to mitigate the anti-lipolytic effects of insulin. These findings reveal new regulatory mechanisms that control lipolysis in human metabolism. SIGNIFICANCE STATEMENT Lipid droplets are ubiquitous cytoplasmic organelles that store metabolic energy and play a key role in cellular lipid metabolism (1). Adipocyte LDs play an additional, crucial role, as they supply the energy needs of the whole body through hormonally regulated triglyceride synthesis, storage, and release. The mechanisms by which adipocyte lipid droplets release lipids for systemic use has been mostly studied in mouse models and cell lines. To understand how lipid mobilization is controlled in human adipocytes, we used proximity labeling to identify proteins that interact with PLIN1, a major component of the lipid droplet, in adipocytes generated from primary human progenitor cells. Our study catalogues the interactome of human PLIN1 and identifies previously unrecognized potential mechanism for control of human adipocyte lipolysis through 14-3-3 proteins.

Aging and metabolic diseases are accompanied by systemic inflammation, but the mechanisms that induce this state are not known. We developed a human bone-marrow organoid system to explore mechanisms underlying metabolic-disease associated systemic inflammation. We find that a distinct type of hematopoietic stem cell (HSC) develops in the adipose-rich, yellow bone marrow, which is known to gradually replace the hematopoietic red marrow as we age and during metabolic disease. Unlike HSCs derived from the red bone marrow, HSCs derived from the yellow bone marrow have higher proliferation rates, increase myeloid differentiation, skew towards pro-inflammatory M1 macrophage differentiation, and express a distinct transcriptomic profile associated with responsiveness to wounding. Yellow marrow-derived HSCs express higher levels of the leptin receptor, which we find to be further increased in patients with type 2 diabetes. Our work demonstrates that the human long bone yellow marrow is a niche for a distinct class of HSCs which could underlie hematopoietic dysfunction during aging and metabolic disease processes suggesting a shared inflammaging mechanism.

ABSTRACT Mechanisms that control “beige/brite” thermogenic adipose tissue development may be harnessed to improve human metabolic health. To define these mechanisms, we developed a species-hybrid model in which human mesenchymal progenitor cells were used to develop white or thermogenic/beige adipose tissue in mice. The hybrid adipose tissue developed distinctive features of human adipose tissue, such as larger adipocyte size, despite its neurovascular architecture being entirely of murine origin. Thermogenic adipose tissue recruited a denser, qualitatively distinct vascular network, differing in genes mapping to circadian rhythm pathways, and denser sympathetic innervation. The enhanced thermogenic neurovascular network was associated with human adipocyte expression of THBS 4 , TNC , NTRK3 and SPARCL1 , which enhance neurogenesis, and decreased expression of MAOA and ACHE , which control neurotransmitter tone. Systemic inhibition of MAOA, which is present in human but absent in mouse adipocytes, induced browning of human but not mouse adipose tissue, revealing the physiological relevance of this pathway. Our results reveal species-specific cell type dependencies controlling the development of thermogenic adipose tissue and point to human adipocyte MAOA as a potential target for metabolic disease therapy.

Human adipose tissue depots perform numerous diverse physiological functions, and are differentially linked to metabolic disease risk, yet only two major human adipocyte subtypes have been described, white and brown/brite/beige. The diversity and lineages of adipocyte classes have been studied in mice using genetic methods that cannot be applied in humans. Here we circumvent this problem by studying the fate of single mesenchymal progenitor cells obtained from human adipose tissue. We report that a minimum of four human adipocyte subtypes can be distinguished by transcriptomic analysis, specialized for functionally distinct processes such as adipokine secretion and thermogenesis. Evidence for the presence of these adipocytes subtypes in adult humans is evidenced by differential expression of key adipokines leptin and adiponectin in isolated mature adipocytes. The human adipocytes most similar to the mouse brite/beige adipocytes are enriched in mechanisms that promote iron accumulation and protect from oxidative stress, and are derived from progenitors that express high levels of cytokines such as IL1B, IL8, IL11 and the IL6 family cytokine LIF, and low levels of the transcriptional repressors ID1 and ID3. Our finding of this adipocyte repertoire and its developmental mechanisms provides a high-resolution framework to analyze human adipose tissue architecture and its role in systemic metabolism and metabolic disease.