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Reacquisition and maintenance of pluripotency
Riemenschneider, Christina
Mammalian pluripotency is one of the most fascinating and unique states from an epigenetic perspective and refers to the potential to generate all somatic and germline cell types that make up an organism. It is a distinct property of epiblast cells that exist only transiently as they progress through the early developmental stages. On the other hand, pluripotency can be captured and maintained indefinitely in vitro and reacquired in differentiated cells through epigenetic reprogramming. The precise molecular mechanisms coordinating the establishment and the remarkable transition from a somatic to a pluripotent state are still not fully understood. We used reprogramming and perturbation approaches to characterize the mechanism that imposes or overcomes epigenetic barriers controlling the cellular identity of pluripotency.
To investigate the final step of pluripotency-reacquisition, we established an experimental approach in which pluripotent stem cells are differentiated for defined intervals before being systematically challenged to reacquire pluripotency. We discovered a transient phase of high-efficiency reprogramming where ectopic transcription factors OCT4, SOX2, KLF4, and MYC rapidly restore pluripotency. Following this transient phase, cells reprogram with low efficient somatic-like kinetics, implying that a barrier to reprogramming is established shortly after exiting pluripotency. We discovered a subset of OCT4-bound target sites dynamically controlled during the transient phase, which appears to be essential for reprogramming. Surprisingly, these regions retain an epigenetic signature of the pluripotent state throughout development.
Another epigenetic barrier preserving the pluripotent cell identity is formed by the epigenetic co-repressor TRIM28, mediating heterochromatin formation, a key role in silencing endogenous retroviral elements (ERVs). With a combination of in vivo and in vitro models, we show that TRIM28 is essential for acquiring and maintaining pluripotency. Depletion of TRIM28 results in simultaneous de-repression of ERVs and the collapse of the transcription of pluripotency-associated super-enhancer, likely mediated by the loss of the association of transcriptional condensates with super-enhancers. We hypothesized that this effect is presumably mediated by direct competition for transcriptional condensates between these genomic features. By mimicking robust ERV induction independent of TRIM28 loss or by tethering condensates to super-enhancers through ectopic expression of associated transcription factors, we test our hypothesis. We observe that ERVs, particularly their RNA, promote the 'hijacking' of transcriptional condensates and may play essential roles in modifying cellular states. This work elucidates the nature of epigenetic barriers and how their disruption can affect cellular fates.
Die Pluripotenz von Säugetieren ist aus epigenetischer Sicht einer der faszinierendsten und einzigartigsten Zustände und bezieht sich auf das Potenzial, alle somatischen und Keimbahn-Zelltypen zu erzeugen, aus denen ein Organismus besteht. Sie ist eine besondere Eigenschaft von Epiblastzellen, die während der frühen Entwicklungsstadien nur vorübergehend existieren. Andererseits kann Pluripotenz in vitro eingefangen und unbegrenzt aufrechterhalten, aber auch in differenzierten Zellen durch epigenetische Reprogrammierung wiedererlangt werden. Die genauen molekularen Mechanismen, die die Etablierung und den bemerkenswerten Übergang von einem somatischen zu einem pluripotenten Zustand koordinieren, sind noch nicht vollständig bekannt. Wir haben Reprogrammierungs- und Perturbationsansätze verwendet um den Mechanismus zu charakterisieren der epigenetischen Barrieren auferlegt oder überwindet, die die zelluläre Identität der Pluripotenz kontrollieren.
Um den letzten Schritt der Wiedererlangung der Pluripotenz zu untersuchen, haben wir einen experimentellen Ansatz entwickelt, bei dem pluripotente Stammzellen für bestimmte Zeiträume differenziert werden, bevor sie systematisch zur Wiedererlangung der Pluripotenz herausgefordert werden. Wir entdeckten eine transiente Phase der hocheffizienten Reprogrammierung, in der die ektopischen Transkriptionsfaktoren OCT4, SOX2, KLF4 und MYC die Pluripotenz schnell wiederherstellen. Nach dieser transienten Phase reprogrammieren die Zellen mit einer wenig effizienten somatischen Kinetik, was darauf hindeutet, dass kurz nach dem Verlassen der Pluripotenz eine Barriere für die Reprogrammierung etabliert wird. Wir entdeckten ein Subset von OCT4-gebundenen Regionen, die während der transienten Phase dynamisch kontrolliert werden und für die Reprogrammierung wesentlich zu sein schein. Überraschenderweise behalten diese Regionen während der gesamten Entwicklung eine epigenetische Signatur des pluripotenten Zustands bei.
Eine weitere epigenetische Barriere, die die Identität pluripotenter Zellen bewahrt, wird durch den epigenetischen Co-Repressor TRIM28 gebildet, der die Bildung von Heterochromatin vermittelt und eine Schlüsselrolle beim Silencing endogener retroviraler Elemente (ERVs) spielt. Mit einer Kombination aus in-vivo- und in-vitro-Modellen zeigen wir, dass TRIM28 für den Erwerb und der Aufrechterhaltung der Pluripotenz wesentlich ist. Die Depletion von TRIM28 führt zu einer gleichzeitigen De-Repression von ERVs und einem Zusammenbruch der Transkription von mit Pluripotenz-assoziierten Super-Enhancern, wahrscheinlich vermittelt durch den Verlust der Assoziation von Transkriptionskondensaten mit Super-Enhancern. Wir stellten die Hypothese auf, dass dieser Effekt vermutlich durch die direkte Konkurrenz um Transkriptionskondensate zwischen diesen genomischen Elementen vermittelt wird. Wir testen diese Hypothese, indem wir eine robuste ERV-Induktion unabhängig vom TRIM28-Verlust nachahmen oder indem wir Kondensate durch ektopische Expression von assoziierten Transkriptionsfaktoren an Super-Enhancer festhalten. Wir stellen fest, dass ERVs, insbesondere ihre RNA, das "Hijacking" von Transkriptionskondensaten fördern und eine wesentliche Rolle bei der Veränderung des Zellzustands spielen können. Diese Arbeit gibt Aufschluss über die Art von epigenetischen Barrieren und darüber, wie ihre Beeinträchtigung das Schicksal der Zellen beeinflussen kann.
