ABSTRACT Understanding how cells remember previous mechanical environments to influence their fate, or mechanical memory, informs the design of biomaterials and therapies in medicine. Current regeneration therapies require two-dimensional (2D) cell expansion processes to achieve large cell populations critical for the repair of damaged (e.g. connective and musculoskeletal) tissues. However, the influence of mechanical memory on cell fate following expansion is unknown, and mechanisms defining how physical environments influence the therapeutic potential of cells remain poorly understood. Here, we show that the organization of histone H3 trimethylated at lysine 9 (H3K9me3) and expression of tissue-identifying genes in primary cartilage cells (chondrocytes) transferred to three-dimensional (3D) hydrogels depends on the number of previous population doublings on tissue culture plastic during 2D cell expansion. Decreased levels of H3K9me3 occupying promoters of dedifferentiation genes after the 2D culture were also retained in 3D culture. Suppression of H3K9me3 during expansion of cells isolated from a murine model similarly resulted in the loss of the chondrocyte phenotype and global remodeling of nuclear architecture. In contrast, increasing levels of H3K9me3 through inhibiting H3K9 demethylases partially rescued the chondrogenic nuclear architecture and gene expression, which has important implications for tissue repair therapies, where expansion of large numbers of phenotypically-suitable cells is required. Overall, our findings indicate mechanical memory in primary cells is encoded in the chromatin architecture, which impacts cell fate and the phenotype of expanded cells. SIGNIFICANCE STATEMENT Tissue regeneration procedures, such as cartilage defect repair (e.g. Matrix-induced Autologous Chondrocyte Implantation) often require cell expansion processes to achieve sufficient cells to transplant into an in vivo environment. However, the chondrocyte cell expansion on 2D stiff substrates induces epigenetic changes that persist even when the chondrocytes are transferred to a different (e.g. 3D) or in vivo environment. Treatments to alter epigenetic gene regulation may be a viable strategy to improve existing cartilage defect repair procedures and other tissue engineering procedures that involve cell expansion.

Abstract A key aspect in defining cell state is the complex choreography of DNA binding events in a given cell type, which in turn establishes a cell-specific gene-expression program. In the past two decades since the sequencing of the human genome there has been a deluge of genome-wide experiments which have measured gene-expression and DNA binding events across numerous cell-types and tissues. Here we re-analyze ENCODE data in a highly reproducible manner by utilizing standardized analysis pipelines, containerization, and literate programming with Rmarkdown. Our approach validated many findings from previous independent studies, underscoring the importance of ENCODE’s goals in providing these reproducible data resources. This approach also revealed several new findings: (i) 1,362 promoters, termed ‘reservoirs,’ have up to 111 different DNA binding-proteins localized on one promoter yet do not have any expression of steady-state RNA (ii) The human specific SVA repeat element may have been co-opted for enhancer regulation. Collectively, this study performed by the students of a CU Boulder computational biology class (BCHM 5631 – Spring 2020) demonstrates the value of reproducible findings and how resources like ENCODE that prioritize data standards can foster new findings with existing data in a didactic environment.

Aims: Pathological cardiac hypertrophy is the result of increased cardiomyocyte size, leading to thickening of the left ventricular walls and a decrease in the left ventricular chamber. With early treatment of the underlying cause, cardiac hypertrophy can be reversed in some individuals, while it persists in others. Here, we investigate mechanisms leading to regression of pathological cardiac hypertrophy in two mouse models, in addition to defining the sex differences associated with hypertrophy and regression. Methods and Results: Two pathological hypertrophic stimuli were used in male and female mice (Isoproterenol or Angiotensin II). The stimulus was removed after 7 days of treatment, then the left ventricle was studied at intervals up to 7 days following the removal of the stimulus. Following Isoproterenol removal, male hearts returned to baseline sizes in 4 days while it took 7 days for female hearts to regress. After Angiotensin II removal, the left ventricular masses of males and females did not regress. ERK1/2 was activated in response to both Isoproterenol and Angiotensin II in males, then decreased back to baseline one day after stimulus removal. Expression of ECM genes was greater in response to Angiotensin II and remained elevated longer after Angiotensin II removal, compared to Isoproterenol. Further, collagen content may be playing a role in the irreversible state of Angiotensin II induced hypertrophy as hydroxyproline content was increased following the removal of Angiotensin II in both males and females. Conclusions: Regression of pathological cardiac hypertrophy is possible in some people and in some mouse models; however, the ability for the heart to regress is dependent on the stimulus and biological sex. Further, molecular changes including cellular signaling, protein degradation pathways and the formation of a fibrotic network may contribute to the ability to reverse pathological cardiac hypertrophy and are stimulus- and sex-dependent.