Chromosomal architecture is known to influence gene expression, yet its role in controlling cell fate remains poorly understood. Reprogramming of somatic cells into pluripotent stem cells (PSCs) by the transcription factors (TFs) OCT4, SOX2, KLF4 and MYC offers an opportunity to address this question but is severely limited by the low proportion of responding cells. We have recently developed a highly efficient reprogramming protocol that synchronously converts somatic into pluripotent stem cells. Here, we used this system to integrate time-resolved changes in genome topology with gene expression, TF binding and chromatin-state dynamics. The results showed that TFs drive topological genome reorganization at multiple architectural levels, often before changes in gene expression. Removal of locus-specific topological barriers can explain why pluripotency genes are activated sequentially, instead of simultaneously, during reprogramming. Together, our results implicate genome topology as an instructive force for implementing transcriptional programs and cell fate in mammals.

Forced expression of reprogramming factors can convert somatic cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs). Here we studied genome topology dynamics during reprogramming of different somatic cell types with highly distinct genome conformations. We find large-scale topologically associated domain (TAD) repositioning and alterations of tissue-restricted genomic neighborhoods and chromatin loops, effectively erasing the somatic-cell-specific genome structures while establishing an embryonic stem-cell-like 3D genome. Yet, early passage iPSCs carry topological hallmarks that enable recognition of their cell of origin. These hallmarks are not remnants of somatic chromosome topologies. Instead, the distinguishing topological features are acquired during reprogramming, as we also find for cell-of-origin-dependent gene expression patterns.

Neurons harbor high levels of single-strand DNA breaks (SSBs) that are targeted to neuronal enhancers, but the source of this endogenous damage remains unclear. Using two systems of postmitotic lineage specification—induced pluripotent stem cell–derived neurons and transdifferentiated macrophages—we show that thymidine DNA glycosylase (TDG)–driven excision of methylcytosines oxidized with ten-eleven translocation enzymes (TET) is a source of SSBs. Although macrophage differentiation favors short-patch base excision repair to fill in single-nucleotide gaps, neurons also frequently use the long-patch subpathway. Disrupting this gap-filling process using anti-neoplastic cytosine analogs triggers a DNA damage response and neuronal cell death, which is dependent on TDG. Thus, TET-mediated active DNA demethylation promotes endogenous DNA damage, a process that normally safeguards cell identity but can also provoke neurotoxicity after anticancer treatments.

Abstract In contrast to the extensively studied rewiring of epigenetic and transcriptional programs required for cell reprogramming, the dynamics of post-transcriptional changes and their associated regulatory mechanisms remain poorly understood. Here we have studied the dynamics of alternative splicing (AS) changes occurring during efficient reprogramming of mouse B cells into induced pluripotent stem (iPS) cells. These changes, generally uncoupled from transcriptional regulation, significantly overlapped with splicing programs reported during reprogramming of mouse embryonic fibroblasts (MEFs). Correlation between gene expression of potential regulators and specific clusters of AS changes enabled the identification and subsequent validation of CPSF3 and hnRNP UL1 as facilitators, and TIA1 as repressor of MEFs reprogramming. These RNA-binding proteins control partially overlapping programs of splicing regulation affecting genes involved in developmental and morphogenetic processes. Our results reveal common programs of splicing regulation during reprogramming of different cell types and identify three novel regulators of this process.

Chromosomal architecture is known to influence gene expression, yet its role in controlling cell fate remains poorly understood. Reprogramming of somatic cells into pluripotent stem cells by the transcription factors (TFs) Oct4, Sox2, Klf4 and Myc offers an opportunity to address this question but is severely limited by the low proportion of responding cells. We recently developed a highly efficient reprogramming protocol that synchronously converts somatic into pluripotent stem cells. Here, we employ this system to integrate time-resolved changes in genome topology with gene expression, TF binding and chromatin state dynamics. This revealed that TFs drive topological genome reorganization at multiple architectural levels, which often precedes changes in gene expression. Removal of locus-specific topological barriers can explain why pluripotency genes are activated sequentially, instead of simultaneously, during reprogramming. Taken together, our study implicates genome topology as an instructive force for implementing transcriptional programs and cell fate in mammals.

Many somatic cell types are plastic, having the capacity to convert into other specialized cells (transdifferentiation)(1) or into induced pluripotent stem cells (iPSCs, reprogramming)(2) in response to transcription factor over-expression. To explore what makes a cell plastic and whether these different cell conversion processes are coupled, we exposed bone marrow derived pre-B cells to two different transcription factor overexpression protocols that efficiently convert them either into macrophages or iPSCs and monitored the two processes over time using single cell gene expression analysis. We found that even in these highly efficient cell fate conversion systems, cells differ in both their speed and path of transdifferentiation and reprogramming. This heterogeneity originates in two starting pre-B cell subpopulations, large pre-BII and the small pre-BII cells they normally differentiate into. The large cells transdifferentiate slowly but exhibit a high efficiency of iPSC reprogramming. In contrast, the small cells transdifferentiate rapidly but are highly resistant to reprogramming. Moreover, the large B cells induce a stronger transient granulocyte/macrophage progenitor (GMP)-like state, while the small B cells undergo a more direct conversion to the macrophage fate. The large cells are cycling and exhibit high Myc activity whereas the small cells are Myc low and mostly quiescent. The observed heterogeneity of the two cell conversion processes can therefore be traced to two closely related cell types in the starting population that exhibit different types of plasticity. These data show that a somatic cell's propensity for either transdifferentiation and reprogramming can be uncoupled.