Epigenetic mechanisms have been proposed to play crucial roles in mammalian development, but their precise functions are only partially understood. To investigate epigenetic regulation of embryonic development, we differentiated human embryonic stem cells into mesendoderm, neural progenitor cells, trophoblast-like cells, and mesenchymal stem cells and systematically characterized DNA methylation, chromatin modifications, and the transcriptome in each lineage. We found that promoters that are active in early developmental stages tend to be CG rich and mainly engage H3K27me3 upon silencing in nonexpressing lineages. By contrast, promoters for genes expressed preferentially at later stages are often CG poor and primarily employ DNA methylation upon repression. Interestingly, the early developmental regulatory genes are often located in large genomic domains that are generally devoid of DNA methylation in most lineages, which we termed DNA methylation valleys (DMVs). Our results suggest that distinct epigenetic mechanisms regulate early and late stages of ES cell differentiation.

We performed RNA-seq and high-resolution mass spectrometry on 128 blood samples from COVID-19-positive and COVID-19-negative patients with diverse disease severities and outcomes. Quantified transcripts, proteins, metabolites, and lipids were associated with clinical outcomes in a curated relational database, uniquely enabling systems analysis and cross-ome correlations to molecules and patient prognoses. We mapped 219 molecular features with high significance to COVID-19 status and severity, many of which were involved in complement activation, dysregulated lipid transport, and neutrophil activation. We identified sets of covarying molecules, e.g., protein gelsolin and metabolite citrate or plasmalogens and apolipoproteins, offering pathophysiological insights and therapeutic suggestions. The observed dysregulation of platelet function, blood coagulation, acute phase response, and endotheliopathy further illuminated the unique COVID-19 phenotype. We present a web-based tool (covid-omics.app) enabling interactive exploration of our compendium and illustrate its utility through a machine learning approach for prediction of COVID-19 severity.

Elucidating the pathways that lead to vasculogenic cells, and being able to identify their progenitors and lineage-restricted cells, is critical to the establishment of human pluripotent stem cell (hPSC) models for vascular diseases and development of vascular therapies. Here, we find that mesoderm-derived pericytes (PCs) and smooth muscle cells (SMCs) originate from a clonal mesenchymal progenitor mesenchymoangioblast (MB). In clonogenic cultures, MBs differentiate into primitive PDGFRβ+CD271+CD73- mesenchymal progenitors, which give rise to proliferative PCs, SMCs, and mesenchymal stem/stromal cells. MB-derived PCs can be further specified to CD274+ capillary and DLK1+ arteriolar PCs with a proinflammatory and contractile phenotype, respectively. SMC maturation was induced using a MEK inhibitor. Establishing the vasculogenic lineage tree, along with identification of stage- and lineage-specific markers, provides a platform for interrogating the molecular mechanisms that regulate vasculogenic cell specification and diversification and manufacturing well-defined mural cell populations for vascular engineering and cellular therapies from hPSCs.

ABSTRACT Human pluripotent stem cells hold significant promise for regenerative medicine. However, long differentiation protocols and immature characteristics of stem cell-derived cell types remain challenges to the development of many therapeutic applications. In contrast to the slow differentiation of human stem cells in vitro that mirrors a nine-month gestation period, mouse stem cells develop according to a much faster three-week gestation timeline. Here, we tested if co-differentiation with mouse pluripotent stem cells could accelerate the differentiation speed of human embryonic stem cells. Following a six-week RNA-sequencing time course of neural differentiation, we identified 929 human genes that were upregulated earlier and 535 genes that exhibited earlier peaked expression profiles in chimeric cell cultures than in human cell cultures alone. Genes with accelerated upregulation were significantly enriched in Gene Ontology terms associated with neurogenesis, neuron differentiation and maturation, and synapse signaling. Moreover, chimeric mixed samples correlated with in utero human embryonic samples earlier than human cells alone, and acceleration was dose-dependent on human-mouse co-culture ratios. Differences in the timing and expression levels of genes corresponding to neuron cell types and brain region identity under chimeric conditions were also observed. The altered developmental rates and lineage outcomes described in this report have implications for accelerating human stem cell differentiation and the use of interspecies chimeric embryos in developing human organs for transplantation. Author Summary Human pluripotent stem cells often require long in vitro protocols to form mature cell types of clinical relevance for potential regenerative therapies, a ramification of a nine-month developmental clock in utero that also runs ex utero . What controls species-specific developmental time and whether the timer is amenable to acceleration is unknown. Further, interspecies chimeric embryos are increasingly being created to study early human development or explore the potential growth of human organs for transplantation. How the conflicting developmental speeds of cells from different species co-differentiating together affect each other is not understood. Here, using genome-wide transcriptional analysis of RNA-sequencing time courses, we show that 1) co-differentiating human embryonic stem cells intermixed with mouse stem cells accelerated elements of human developmental programs, 2) the acceleration was dose-dependent on the proportion of mouse cells, and 3) human cells in chimeric samples correlated to in utero samples earlier than human only samples. Our results provide evidence that some components of species-specific developmental clocks may be susceptible to acceleration.

Abstract Primary hepatocytes are widely used in the pharmaceutical industry to screen drug candidates for hepatotoxicity, but isolated hepatocytes quickly dedifferentiate and lose their mature metabolic function in culture. Attempts have been made to better recapitulate the in vivo liver environment in culture, but the full spectrum of signals required to maintain hepatocyte function in vitro remains elusive. Here we studied the dedifferentiation process in detail through RNA-sequencing of hepatocytes cultured over eight days. We identified three distinct phases of dedifferentiation. An early phase, where mature hepatocyte genes are rapidly downregulated in a matter of hours. A middle phase, where fetal genes are activated, leading to hepatocytes with a fetal phenotype. A late phase, where initially rare contaminating non-parenchymal cells over-grow the culture as the hepatocytes gradually die. Using genetically tagged hepatocytes, we demonstrate that the cells reactivating fetal marker alpha-fetoprotein arise from cells previously expressing the mature hepatocyte marker albumin, and not from albumin negative precursor cells, proving that hepatocytes undergo true dedifferentiation. To better understand the signaling events that result in the rapid down-regulation of mature hepatocyte genes, we examined changes in chromatin accessibility of hepatocytes during the first 24h of culture using ATAC-seq. We find that drastic and rapid changes in chromatin accessibility occurs immediately upon start of culture. Using binding motif analysis of the areas of open chromatin sharing similar temporal profiles, we identify several candidate transcription factors potentially involved in the dedifferentiation of primary hepatocytes in culture.

As single-cell experiments generate increasingly more cells at reduced sequencing depths, the value of a higher read depth may be overlooked. Using data from two contrasting single-cell RNA-seq protocols that lend themselves to having either higher read depth (Smart-seq) or many cells (MARS-seq) we evaluate the trade-offs in the context of pseudo-spatial reconstruction of the liver lobule. Overall, we find gene expression profiles after spatial-reconstruction analysis are highly reproducible between datasets. Smart-seq’s higher sensitivity and read-depth allows analysis of lower expressed genes and isoforms. Our analysis emphasizes the importance of selecting a protocol based on the biological questions and features of interest. Additionally, we evaluate trade-offs for each protocol by performing subsampling analyses, and find that optimizing the balance between sequencing depth and number of cells within a protocol is important for efficient use of resources.