Human diseases are often caused by loss of somatic cells that are incapable of re-entering the cell cycle for regenerative repair. Here, we report a combination of cell-cycle regulators that induce stable cytokinesis in adult post-mitotic cells. We screened cell-cycle regulators expressed in proliferating fetal cardiomyocytes and found that overexpression of cyclin-dependent kinase 1 (CDK1), CDK4, cyclin B1, and cyclin D1 efficiently induced cell division in post-mitotic mouse, rat, and human cardiomyocytes. Overexpression of the cell-cycle regulators was self-limiting through proteasome-mediated degradation of the protein products. In vivo lineage tracing revealed that 15%–20% of adult cardiomyocytes expressing the four factors underwent stable cell division, with significant improvement in cardiac function after acute or subacute myocardial infarction. Chemical inhibition of Tgf-β and Wee1 made CDK1 and cyclin B dispensable. These findings reveal a discrete combination of genes that can efficiently unlock the proliferative potential in cells that have terminally exited the cell cycle.

Significance Human cardiomyocytes differentiated from pluripotent stem cells (hPSC-CMs) have potential as in vitro models of cardiac health and disease but differ from mature cardiomyocytes. In single live engineered hPSC-CMs with physiological shapes, we assayed the mechanical output and activity of sarcomeres and myofibrils in a nondestructive, noninvasive manner. Substrates with physiological stiffness improved contractile activity of patterned hPSC-CMs, as well as calcium flow, mitochondrial organization, electrophysiology, and transverse-tubule formation. The mechanical output and activity of sarcomeres and myofibrils varied as a function of mechanical cues and disrupted cell tension. This study establishes a high-throughput platform for modeling single-cell cardiac contractile activity and yields insight into environmental factors that drive maturation and sarcomere function in hPSC-CMs.

SUMMARY Direct lineage conversion, whereby a somatic cell assumes a new cellular identity, can be driven by ectopic expression of combinations of lineage-enriched transcription factors. To determine the molecular mechanisms by which expression of Gata4, Mef2c, and Tbx5 (GMT) induces direct reprogramming from a cardiac fibroblast toward an induced cardiomyocyte, we performed a comprehensive transcriptomic and epigenomic interrogation of the reprogramming process. Single cell RNA sequencing indicated that a reprogramming trajectory was acquired within 48 hours of GMT introduction, did not require cell division, and was limited mainly by successful expression of GMT. Evaluation of chromatin accessibility by ATAC-seq supported the expression dynamics and revealed widespread chromatin remodeling at early stages of the reprogramming process. Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing of each factor alone or in combinations revealed that GMT bind DNA individually and in combination, and that ectopic expression of either Mef2c or Tbx5 is sufficient in some contexts to increase accessibility. We also find evidence for cooperative facilitation and refinement of each factor’s binding in a combinatorial setting. A random-forest classifier that integrated the observed gene expression dynamics with regions of dynamic chromatin accessibility suggested Tbx5 binding is a primary driver of gene expression changes and revealed additional transcription factor motifs co-segregating with reprogramming factor motifs, suggesting new factors that may be involved in the reprogramming process. These results begin to explain the mechanisms by which transcription factors normally expressed in multiple germ layers can function combinatorially to direct lineage conversion.

Obesity-induced lipid overload in cardiomyocytes contributes to profound oxidative stress and cardiomyopathy, culminating in heart failure. In this study, we investigate a novel mechanism whereby lipids accumulate in cardiomyocytes and seek the relevant treatment strategies. P21-activated kinase 3 (PAK3) was elevated in obese human myocardium, and the murine hearts and cardiomyocytes upon diet- or fatty acid-induced stress, respectively. Mice with cardiac-specific overexpression of PAK3 were more susceptible to the development of cardiac dysfunction upon diet stress, at least partially, due to increased deposition of toxic lipids within the myocardium. Mechanistically, PAK3 promoted the nuclear expression of sterol regulatory element binding protein 1c (SREBP1c) through activation of mammalian target of rapamycin (mTOR) and ribosomal protein S6 kinase beta-1 (S6K1) pathway in cardiomyocytes, resulting in abnormal lipid genes profile, accumulation of excessive lipids, and oxidative stress. More importantly, PAK3 knockdown attenuated fatty acid-induced lipotoxicity and cell death in rat and human cardiomyocytes. More importantly, the S6K1 or SREBP1c inhibitor alleviated PAK3-triggered intracellular lipid overload and cardiac dysfunction under obese stress. Collectively, we have demonstrated that PAK3 impairs myocardial lipid homeostasis, while inhibition of cardiac lipotoxicity mitigates cardiac dysfunction. Our study provides a promising therapeutic strategy for ameliorating obesity cardiomyopathy.

Abstract The limited availability of human heart tissue and its complex cell composition are major limiting factors for reliable testing drug efficacy, toxicity and understanding mechanism. Recently, we developed a functional human and pig heart slice biomimetic culture system that fully preserves the viability and functionality of 300 µm heart slices for 6 days. Here, we tested the reliability of this culture system in delineating the mechanisms of known anti-cancer drugs that cause cardiomyopathy. We tested three anti-cancer drugs (doxorubicin, trastuzumab, and sunitinib) associated with different mechanisms leading to cardiotoxicity at three concentrations and assessed the effect of these drugs on heart slice viability, structure, function and transcriptome. Slices incubated with any of these drugs for 48 h showed significant loss in viability, cardiomyocyte structure and functionality. Mechanistically, RNA sequencing demonstrated a significant downregulation of cardiac genes and upregulation of oxidative response in doxorubicin-treated tissues. Trastuzumab treatment caused major downregulation in cardiac muscle contraction-related genes, consistent with its clinically known direct effect on cardiomyocytes. Interestingly, sunitinib treatment resulted in significant downregulation of angiogenesis-related genes in line with its mechanism of action. Heart slices are not only able to demonstrate the expected toxicity of doxorubicin and trastuzumab similar to hiPS-derived-cardiomyocytes; they are superior in detecting sunitinib cardiotoxicity phenotypes and mechanism in the clinically relevant concentration range, 100 nM – 1 µM. These results indicate that heart slice tissue culture models have the potential to become a reliable platform for testing drug toxicity and mechanism of action.