Pathogenic mutations in A-type nuclear lamins cause dilated cardiomyopathy, which is postulated to result from dysregulated gene expression due to changes in chromatin organization into active and inactive compartments. To test this, we performed genome-wide chromosome conformation analyses (Hi-C) in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) with a haploinsufficient mutation for lamin A/C. Compared to gene-corrected cells, mutant hiPSC-CMs have marked electrophysiological and contractile alterations, with modest gene expression changes. While large-scale changes in chromosomal topology are evident, differences in chromatin compartmentalization are limited to a few hotspots that escape inactivation during cardiogenesis. These regions exhibit upregulation of multiple non-cardiac genes including CACNA1A, encoding for neuronal P/Q-type calcium channels. Pharmacological inhibition of the resulting current partially mitigates the electrical alterations. On the other hand, A/B compartment changes do not explain most gene expression alterations in mutant hiPSC-CMs. We conclude that global errors in chromosomal compartmentation are not the primary pathogenic mechanism in heart failure due to lamin A/C haploinsufficiency.

ABSTRACT Measuring the traction forces produced by cells provides insight into their behavior and physiological function. Here, we developed a technique (dubbed ‘black dots’) that microcontact prints a fluorescent micropattern onto a flexible substrate to measure cellular traction forces without constraining cell shape or needing to detach the cells. To demonstrate our technique, we assessed human platelets, which can generate a large range of forces within a population. We find platelets that exert more force have more spread area, are more circular, and have more uniformly distributed F-actin filaments. As a result of the high yield of data obtainable by this technique, we were able to evaluate multivariate mixed effects models with interaction terms and conduct a clustering analysis to identify clusters within our data. These statistical techniques demonstrated a complex relationship between spread area, circularity, F-actin dispersion, and platelet force, including cooperative effects that significantly associate with platelet traction forces. GRAPHICAL ABSTRACT

Preclinical studies have suggested that transplanted human pluripotent stem cell-derived cardiomyocyte (hPSC-CM) grafts expand due to proliferation. This knowledge came from cell cycle activity measurements that cannot discriminate between cytokinesis or DNA synthesis associated with hypertrophy. To refine our understanding of hPSC-CM cell therapy, we genetically engineered a cardiomyocyte-specific fluorescent barcoding system into an hPSC line. Since cellular progeny have the same color as parental hPSC-CMs, we could identify subsets of engrafted hPSC-CMs that clonally expanded, with the remainder being non-proliferative and hypertrophic.

Abstract Tissue engineering with human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes enables unique opportunities for creating physiological models of the heart in vitro. However, there are few approaches available that can recapitulate the complex structure-function relationships that govern cardiac function at the macroscopic organ level. Here, we report a down-scaled, conical human 3D ventricular model with controllable cellular organization using multilayered, patterned cardiac sheets. Tissue engineered ventricles whose cardiomyocytes were pre-aligned parallel or perpendicular to the long axis outperformed those whose cardiomyocytes were angled or randomly oriented. Notably, the inner layers of perpendicular cardiac sheets realigned over 4 days into a parallel orientation, creating a helical transmural architecture, whereas minimal remodeling occurred in the parallel or angled sheets. Finite element analysis of engineered ventricles demonstrated that circumferential alignment leads to maximal perpendicular shear stress at the inner layer, whereas longitudinal orientation leads to maximal parallel stress. We hypothesize that cellular remodeling occurs to reduce perpendicular shear stresses in myocardium. This advanced platform provides evidence that physical forces such as shear stress drive self-organization of cardiac architecture.

Recent single cell analyses have found molecular heterogeneities within populations of pluripotent stem cells (PSCs). A tool that tracks single cell lineages and their phenotypes longitudinally would reveal whether heterogeneity extends beyond molecular identity. Hence, we generated a stable Cre-inducible rainbow reporter human PSC line that provides up to 18 unique membrane-targeted fluorescent barcodes. These barcodes enable repeated assessments of single cells as they clonally expand, change morphology, and migrate. Owing to the cellular resolution of this reporter, we identified subsets of PSCs with enhanced clonal expansion, synchronized cell divisions, and persistent localization to colony edges. Reporter expression was stably maintained throughout directed differentiation into cardiac myocytes, cortical neurons, and hepatoblasts. Repeated examination of neural differentiation revealed self-assembled cortical tissues derive from clonally dominant progenitors. Collectively, these findings demonstrate the broad utility and easy implementation of this reporter line for tracking single cell behavior.