Cardiomyocyte regeneration is limited in adult life. Thus, the identification of a putative source of cardiomyocyte progenitors is of great interest to provide a usable model in vitro and new perspective in regenerative therapy. As adipose tissues were recently demonstrated to contain pluripotent stem cells, the emergence of cardiomyocyte phenotype from adipose-derived cells was investigated. We demonstrated that rare beating cells with cardiomyocyte features could be identified after culture of adipose stroma cells without addition of 5-azacytidine. The cardiomyocyte phenotype was first identified by morphological observation, confirmed with expression of specific cardiac markers, immunocytochemistry staining, and ultrastructural analysis, revealing the presence of ventricle- and atrial-like cells. Electrophysiological studies performed on early culture revealed a pacemaker activity of the cells. Finally, functional studies showed that adrenergic agonist stimulated the beating rate whereas cholinergic agonist decreased it. Taken together, this study demonstrated that functional cardiomyocyte-like cells could be directly obtained from adipose tissue. According to the large amount of this tissue in adult mammal, it could represent a useful source of cardiomyocyte progenitors.

Members of the transforming growth factor beta1 (TGF-beta) superfamily--namely, TGF-beta and BMP2--applied to undifferentiated murine embryonic stem cells up-regulated mRNA of mesodermal (Brachyury) and cardiac specific transcription factors (Nkx2.5, MEF2C). Embryoid bodies generated from stem cells primed with these growth factors demonstrated an increased potential for cardiac differentiation with a significant increase in beating areas and enhanced myofibrillogenesis. In an environment of postmitotic cardiomyocytes, stem cells engineered to express a fluorescent protein under the control of a cardiac promoter differentiated into fluorescent ventricular myocytes beating in synchrony with host cells, a process significantly enhanced by TGF-beta or BMP2. In vitro, disruption of the TGF-beta/BMP signaling pathways by latency-associated peptide and/or noggin prevented differentiation of stem cells. In fact, only host cells that secrete a TGF-beta family member induced a cardiac phenotype in stem cells. In vivo, transplantation of stem cells into heart also resulted in cardiac differentiation provided that TGF-beta/BMP2 signaling was intact. In infarcted myocardium, grafted stem cells differentiated into functional cardiomyocytes integrated with surrounding tissue, improving contractile performance. Thus, embryonic stem cells are directed to differentiate into cardiomyocytes by signaling mediated through TGF-beta/BMP2, a cardiac paracrine pathway required for therapeutic benefit of stem cell transplantation in diseased heart.

Abstract Cornelia de Lange Syndrome (CdLS) largely caused by mutation of the cohesin loader NIPBL is a rare developmental disorder affecting the formation of many organs. Besides a short body size and neurological defects, more than half of CdLS children feature various cardiac malformations. To mimic the disease and test a therapeutic strategy, we generated a C57/Bl6 Nipbl+/- mouse model of the disease. These mice featured a severe delay in both embryonic and postnatal growth. The Nipbl- deficient embryonic and neonatal hearts developed ventricular hypertrophy, aortic and valve defects associated with a persistent truncus arteriosus and a ventricular septal defect. Muscles derived from the second heart field were deficient in the Nipbl haplo-insufficient mouse embryos. The adult hearts then featured a severe aortic senescence phenotype and a stenosis resulting in an increase in aortic flux velocity and persistent left ventricular hypertrophy. Using proteomics and RNA-sequencing in embryos, we identified a dysregulated TGFβ pathway in the outflow tract of embryonic hearts as well as the presence of senescent cells as early as in E13.5 Nipbl+/- embryonic hearts, limb primordium cartilage as well as in different post-natal tissues including muscle and brain cortex. Treatment of pregnant Nipbl+/- mice with a TGFβR (ALK5) inhibitor from E9.5 to E13.5 prevented cell -senescence and rescued the cardiac phenotype as well as the body size of mice at birth. Altogether our data revealed that an exacerbated TGFβ pathway associated with cell senescence is at the origin of many defects in a CdL mouse model. This druggable pathway opens the path toward a potential preventive and/or therapeutic strategy for post-natal CdLS patients.

ABSTRACT Motivation Single-cell RNA-sequencing (scRNAseq) experiments are becoming a standard tool for bench-scientists to explore the cellular diversity present in all tissues. On one hand, the data produced by scRNASeq is technically complex, with analytical workflows that are still very much an active field of bioinformatics research, and on the other hand, a wealth of biological background knowledge is often needed to guide the investigation. Therefore, there is an increasing need to develop applications geared towards bench-scientists to help them abstract the technical challenges of the analysis, so that they can focus on the Science at play. It is also expected that such applications should support closer collaboration between bioinformaticians and bench-scientists by providing reproducible science tools. Results We present SCHNAPPs, a computer program designed to enable bench-scientists to autonomously explore and interpret single cell RNA-seq expression data and associated annotations. The Shiny-based application allows selecting genes and cells of interest, performing quality control, normalization, clustering, and differential expression analyses, applying standard workflows from Seurat (Stuart et al., 2019) or Scran (Lun et al., 2016) packages, and most of the common visualizations. An R-markdown report can be generated that tracks the modifications, and selected visualizations facilitating communication and reproducibility between bench-scientist and bioinformatician. The modular design of the tool allows to easily integrate new visualizations and analyses by bioinformaticians. We still recommend that a data analysis specialist oversees the analysis and interpretation. Availability The SCHNAPPs application, docker file, and documentation are available on GitHub: https://c3bi-pasteur-fr.github.io/UTechSCB-SCHNAPPs ; Example contribution are available at the following GitHub site: https://github.com/baj12/SCHNAPPsContributions .

Congenital heart malformations often include mitral valve defects which remain largely unexplained. During embryogenesis, a restricted population of endocardial cells within the atrioventricular canal (AVC) undergoes endothelial to mesenchymal transition (EndMT) to give rise to mitral valvular cells. However, the identity, fate decisions of these progenitors as well as the distribution of their derivatives in valve leaflets remain unknown. Here, we use scRNA-seq of genetically labeled mouse AVC endocardial cells and of micro-dissected embryonic and postnatal mitral valves to characterize the developmental road. We uncovered the genetic, cell signaling and metabolic processes underlying specification of the progenitors and how they contribute to subtypes of endothelial and interstitial embryonic and postnatal valvular cells. Using clonal genetic tracing with multicolor reporter, we describe specific modes of growth of endocardial cell-derived clones which build up in a proper manner functional valve leaflets. Our data reveal how both genetic and metabolic specification mechanisms specifically drive the fate of a subset of endocardial cells toward valve progenitors and their distinct clonal contribution to the formation of the valve.

Perturbation of addition of second heart field (SHF) cardiac progenitor cells to the poles of the heart tube results in congenital heart defects (CHD). The transcriptional programs and upstream regulatory events operating in different subpopulations of the SHF remain unclear. Here, we profile the transcriptome and chromatin accessibility of anterior and posterior SHF sub-populations at genome-wide levels and demonstrate that Hoxb1 negatively regulates differentiation in the posterior SHF. Spatial mis-expression of Hoxb1 in the anterior SHF results in hypoplastic right ventricle. Activation of Hoxb1 in embryonic stem cells arrests cardiac differentiation, whereas Hoxb1-deficient embryos display premature cardiac differentiation. Moreover, ectopic differentiation in the posterior SHF of embryos lacking both Hoxb1 and its paralog Hoxa1 results in atrioventricular septal defects. Our results show that Hoxb1 plays a key role in patterning cardiac progenitor cells that contribute to both cardiac poles and provide new insights into the pathogenesis of CHD.

The failure of diseased adult heart to regenerate is a major burden to our societies. Besides patients with ischemia and left ventricular dysfunction, progress in pediatric surgery to repair cardiac malformations has led to a growing population of now adult congenital heart diseases patients with right ventricular failure. In the absence of any efficient pharmacological therapy for these patients, cell therapy has turned out to be the only option to regenerate the RV myocardium. In this study, we demonstrate that the adult pig with RV failure, a model of repaired tetralogy of Fallot, has the ability of regenerative epimorphosis. Human embryonic stem cell-derived cardiac Nkx2.5+ progenitor cells were seeded in a collagen based patch to cover the whole pig failing RV. We report that these cells migrate within the myocardium while reversing the interstitial fibrosis. They then engraft and fully differentiate into fetal-like human myocytes within the myocardium. The graft triggers the reprogramming of surrounding pig myocytes into Oct4 + /Nanog - blastemal-like cells. The reprogrammed myocytes re-differentiate and proliferate around human myocytes. Altogether, our findings reveal that mammalian hearts have the ability to undergo epimorphosis, the major process of endogenous regeneration that leads to a recovery of their contractile function.

Abstract The origins of congenital heart diseases, the most common congenital diseases are still largely unknown. Environmental factors are now emerging as major causes of these diseases. Vitamin D deficiency has become a public health burden, notably for childbearing age, pregnant and breastfeeding women. Since maternal 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D) determined fetal and neonatal 25(OH)D status, foetuses exposed to insufficient levels of vitamin D, may feature developmental defects. Herein, we investigated the effects of maternal vitamin D deficiency on cardiovascular defects in early and later life of offsprings in two generations as well as the molecular mechanisms underlying vitamin D effect. Eight weeks before and during pregnancy, C57BL/6JRj female mice received a sufficient or vitamin D deficient diet ((1.0 IU/g in control vs 0.0 IU/g in Vitamin D Deficient (VDD) group). E16.5 Embryos of maternal VDD diet featured hypertrophic heart revealed by a thicker left ventricular (LV) wall and septum. RNAseq analysis of LV revealed 1555 transcripts differentially expressed in the VDD group and among them cardiac transcription factors and constitutive cardiac genes ( tbx5, gata4, myl2 ). Anti-Vitamin D receptor (VDR) Chip-seq from chromatin of E16.5 LV uncovered different targeting of tbx5 and tbx3 loci by VDR in the VDD vs control embryos. Anti-CTCF ChIP-loop experiments focusing on the Tbx3 and Tbx5 loci uncovered a change in the Topology Associated Domains associated with these loci. Echocardiography of 2-months-old VDD offspring revealed a significantly thicker left ventricle and increased fractional shortening while 6-months-old mice featured cardiac decompensation and in turn failing LV. Maternal vitamin D deficiency severely affects heart formation following a change in chromatin conformation on cardiac gene loci and impacts function of adult hearts in two generations. These defects are likely to be at the origin of cardiovascular diseases in the adulthood.

Epicardium, the mesothelium covering the heart, is composed of multipotent cells and is reactivated following myocardial injury in adults. Herein, we provide evidence for activation of atrial epicardium in aged patients with diseased atria and in murine models of atrial remodeling. Epicardial activation contributed to fibro-fatty infiltration of sub-epicardium that contained a number of cells co-expressing markers of epicardial progenitors and fibroblasts. Indeed, using genetic lineage tracing of adult epicardium, we demonstrate the epicardial origin of fibroblasts within fibro-fatty infiltrates. A subpopulation of adult epicardial-derived cells (aEPDCs) expressing PDGFRalpha;niched in the sub-epicardium, were isolated and differentiated into myofibroblast in the presence of angiotensin-II. Furthermore, single cell RNA-seq analysis identified several clusters of aEPDCs and revealed transition from adipogenic to fibrogenic cells. In conclusion, a subset of aEPDCs, pre-programmed towards a specific cell fate, contributes to fibro-fatty infiltration of sub-epicardium of diseased atria.

Organoids development relies on the self-organizing properties of adult stem cells to create structures which recapitulate the architecture, functionality, and genetic signature observed in original tissues. Little is known about of the exact nature of the intrinsic cell properties at the origin of organoid generation, and of the signaling pathways governing their differentiation. Herein, we carried out a functional microRNA screen to identify miRNAs at the origin of organoid generation from human epithelial cell culture. We uncover miR-106a-3p that initiates and promotes organoids. This miRNA acts as a master inducer of the expression of the three core pluripotency transcription factors (NANOG, OCT4 and SOX2) through the regulation of a set of 10 genes, and thus strengthening the reprogramming and cell differentiation of human epithelial cells into organoids. These data demonstrate that organoids can be directly generated from human epithelial cells by only one miRNA: miR-106a-3p. Hence, we appear to have identified a new determinant of organoid identity, which plays a role in reprogramming, cell differentiation and tissue engineering.