Abstract The transcription factor FoxO1 has been shown to dynamically regulate cell fate across diverse cell types. Here, we employ a human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-to-hepatocyte differentiation system that recapitulates the process of hepatocyte specification and differentiation in the human embryo to investigate FoxO1 as a participant in the molecular events required to execute the initial stages of liver development. We demonstrate that FoxO1 is expressed in hiPSC and at all stages of hepatocyte differentiation: definitive endoderm, specified hepatocytes, immature hepatoblasts, and mature hepatocyte-like cells. Disruption of FoxO1 activity by addition of the small molecule inhibitor AS1842856 at the beginning of the differentiation protocol abolishes the formation of definitive endoderm, as indicated by the loss of endoderm gene expression and the gain in expression of multiple mesoderm genes. Moreover, we show that FoxO1 binds to the promoters of two genes with important roles in endoderm differentiation whose expression is significantly downregulated in AS1842856 treated versus untreated cells. These findings reveal a new role for FoxO1 as an essential transcriptional regulator for the establishment of definitive endoderm in humans.

Abstract The transcription factor GATA4 is broadly expressed in nascent foregut endoderm. As development progresses, GATA4 is lost in the domain giving rise to the stratified squamous epithelium of the esophagus and forestomach (FS), while it is maintained in the domain giving rise to the simple columnar epithelium of the hindstomach (HS). Differential GATA4 expression within these domains coincides with the onset of distinct tissue morphogenetic events, suggesting a role for GATA4 in diversifying foregut endoderm into discrete esophageal/FS and HS tissues. By eliminating GATA4 in the developing HS or maintaining GATA4 in the developing FS, we identified GATA4 as an essential, principal regulator of simple columnar epithelium morphogenesis within the developing HS. GATA4- deficient HS epithelium adopted FS-like fate, and conversely, GATA4- expressing FS epithelium adopted HS-like fate. Underlying structural changes in these epithelia were broad changes in gene expression networks attributable to GATA4 directly activating or repressing expression of HS or FS defining transcripts. Our data implicate GATA4 as having a primary role in suppressing an esophageal/FS transcription factor network during HS development to promote a columnar epithelium. Moreover, GATA4-dependent phenotypes in developmental mutants reflected changes associated with Barrett’s esophagus, suggesting that developmental biology can provide insight into human disease mechanisms.

ABSTRACT Transcription stability enforces cellular identity and is tightly controlled by restrictions imposed on both transcription factor function and target gene accessibility. Progression of cancer to metastasis and multi-drug resistance requires fluid transcriptional programs that can explore different genomic landscapes to enable clonal expansion of aggressive and treatment resistant phenotypes. Here, we show that increased levels of H 2 O 2 produced in mitochondria leads to H3.1 oxidation at Cys96, a distinctive redox sensitive amino acid residue restricted to this histone variant, in the nucleus. The oxidation of Cys96 promotes the eviction of H3.1 from chromatin and its exchange with H3.3, thereby opening silenced portions of the chromatin. Mutation of Cys96 by an oxidation-resistant serine residue or quenching nuclear H 2 O 2 reversed chemotherapy resistance and drove established metastatic disease into remission. Together, these results show that increased mitochondrial H 2 O 2 production, characteristic of metabolic dysfunction, promotes transcriptional plasticity by removing structural chromatin restrictions imposed by the redox sensitive histone variant H3.1. We suggest that this new regulatory nexus between cancer metabolism and chromatin remodeling controls chromatin states that enable cancer progression and drug resistance acquisition.

Abstract Human cytomegalovirus (HCMV) is a beta herpesvirus that, upon congenital infection, can cause severe birth defects including vision and hearing loss, microcephaly, and seizures. Currently, no approved treatment options exist for in utero infections. We previously demonstrated that HCMV infection decreases calcium signaling responses and alters neuronal differentiation in induced pluripotent stem cell (iPSC) derived neural progenitor cells (NPCs). Here we aimed to determine the impact of infection on the transcriptome in developing human neurons using iPSC-derived 3-dimensional cerebral organoids. We infected iPSC-derived cerebral organoids with HCMV encoding eGFP and sorted cell populations based on GFP signal strength. Significant transcriptional downregulation was observed including in key neurodevelopmental gene pathways in both the GFP (+) and intermediate groups. Interestingly, the GFP (-) group also showed downregulation of the same targets indicating a mismatch between GFP expression and viral infection. Using a modified HCMV virus destabilizing IE 1 and 2 proteins, we still observed significant downregulation of neurodevelopmental gene expression in infected neural progenitor cells. Together, these data indicate that IE viral proteins are not the main drivers of neurodevelopmental gene dysregulation in HCMV infected neural tissues suggesting therapeutically targeting IE gene expression is insufficient to restore neural differentiation and function.

ABSTRACT Transcriptional enhancers have been defined by their ability to operate independent of distance and orientation in plasmid-based reporter assays of gene expression. Currently, histone marks are used heavily to identify and define enhancers but both methods do not consider the endogenous role of an enhancer in the context of native chromatin. We employed a combination of genomic editing, single cell analyses, and sequencing approaches to investigate a Nanog -associated cis -regulatory element (CRE) which has been reported by others to be either an alternative promoter or a super-enhancer (SE). We first demonstrate both distance and orientation independence in native chromatin, eliminating the issues raised with plasmid-based approaches. We also demonstrate that the dominant SE modulates Nanog globally and operates by recruiting and/or initiating RNA Polymerase II. Our studies have important implications to how transcriptional enhancers are defined and how they regulate gene expression. AUTHOR SUMMARY Different DNA elements help regulate the levels of gene expression. One such element are enhancers, short sequences that interact with genes to modulate levels of expression but can operate over large distances. Previously, these sequences were defined by their ability to regulate expression independent of their distance from a gene and the orientation of the sequence. However, these characteristics were found using techniques that did not recapitulate the native environment. Here, we have shown that an enhancer of one gene is indeed an enhancer by testing its distance and orientation-independence within the native environment. We also show that the mechanisms by which the enhancer is regulating expression is by controlling the levels of RNA Polymerase II at a gene. RNA Polymerase II is the protein that converts the gene sequence to a form usable by a cell, called mRNA. This is interesting because while this has been considered historically the main way enhancers operate, more recent work has focused on other, later regulatory steps involved in controlling mRNA production.