EMBRYONIC STEM CELLS/INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS        

a

  School  of  Life  Sciences,  Beijing  b Normal University, Beijing, China;    National  Institute  of  Biological  Sci‐ ences  (NIBS),  Beijing,  China;  c  School  of  Life  Sciences  and  Tech‐ nology, Tongji University, Shanghai,  China  Correspondence:  Shaorong  Gao,  Ph.D.,  1239  Siping  Road,  Shanghai  200092,  China.  Telephone:  86‐21‐ 65985182; Fax: 86‐21‐65985182; e‐ mail: [email protected]  Received  December  15,  2013;  ac‐ cepted  for  publication  May  23,  2014;   ©AlphaMed Press   1066‐5099/2014/$30.00/0  This  article  has  been  accepted  for  publication  and  undergone  full  peer  review  but  has  not  been  through  the  copyediting,  typeset‐ ting,  pagination  and  proofreading  process  which  may  lead  to  differ‐ ences between this version and the  Version  of  Record.  Please  cite  this  article as doi: 10.1002/stem.1775 

Xist Repression Shows Time‐dependent Effects  on the Reprogramming of Female Somatic  Cells to iPSCs    QI CHEN a,b, SHUAI GAO b, WENTENG HE b,c, XIAOCHEN KOU b,c,  YANHONG ZHAO b,c, HONG WANG c, SHAORONG GAO b,c    Key words. Xist • iPS • Pre‐iPS • X chromosome reactivation • H3K27me3 •  macroH2A    ABSTRACT    Although  the  reactivation  of  silenced  X  chromosomes  has  been  observed  as part of the process of reprogramming female somatic cells into induced  pluripotent  stem  cells  (iPSCs),  it  remains  unknown  whether  repression  of  the  X‐inactive  specific  transcript  (Xist)  can  greatly  enhance  female  iPSC  induction  similar  to  that  observed  in  somatic  cell  nuclear  transfer  (SCNT)  studies.  In  the  present  study,  we  discovered  that  the  repression  of  Xist  plays opposite roles in the early and late phases of female iPSCs induction.  Our  results  demonstrate  that  the  down‐regulation  of  Xist  by  an  IPTG‐ inducible shRNA system can greatly impair the mesenchymal‐to‐epithelial  transition  (MET)  in  the  early  phase  of  iPSC  induction  but  can significantly  promote  the  transition  of  pre‐iPSCs  to  iPSCs  in  the  late  phase.  Further‐ more, we demonstrate that although the knockdown of Xist did not affect  the  H3K27me3  modification  on  the  X  chromosome,  macroH2A  was  re‐ leased  from  the  inactivated  X  chromosome  (Xi).  This  enables  the  X  chro‐ mosome  silencing  to  be  a  reversible  event.  Moreover,  we  demonstrate  that the supplementation of vitamin C (Vc) can augment and stabilize the  reversible X chromosome by preventing the relocalization of macroH2A to  the  Xi. Therefore,  our  study  reveals an  opposite  role of  Xist repression  in  the  early  and  late  stages  of  reprogramming  female  somatic  cells  to  pluripotency  and  demonstrates  that  the  release  of  macroH2A  by  Xist  re‐ pression  enables  the  transition  from  pre‐iPSCs  to  iPSCs.  STEM  CELLS  2014;  00:000–000 

   

INTRODUCTION    In mammals, two X chromosomes are both active in the  early stages of female pre‐implantation embryos and in  the  subsequently  established  fully  pluripotent  female  embryonic  stem  cells  (ESCs).  Following  embryo  devel‐ opment  and  ESC  differentiation,  one  X  chromosome  undergoes inactivation. The inactivation event is initiat‐ ed  by  the  long  noncoding  RNA  Xist  [1,  2]  followed  by  the  Polycomb  repressive  complex  2  (PRC2)‐mediated  H3K27me3  modification  and  the  deposition  of  histone  H2A variant macroH2A [3‐5]. Xist depletion in the early  initiation stages of X chromosome inactivation can lead  to the reversal of X chromosome silencing and  hetero‐ STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

chromatin  formation  [6,  7].  This  Xist‐dependent,  re‐ versible inactivation status switches to Xist‐independent  silencing  after  macroH2A  deposition  and  the  recruit‐ ment  of  other  related  proteins  [3‐5,  8].  Xist  then  acts  synergistically  with  DNA  methylation  and  histone  hypoacetylation  to  maintain  the  X  chromosome  inacti‐ vation status in somatic cells [9, 10]. Although Xist dele‐ tion has only minor effects on X chromosome reactiva‐ tion  in  somatic  cells  [6,  11],  as  the  remaining  DNA‐ methylation  and  histone  hypoacetylation  can  maintain  the  Xi  [9],  it  disrupts  long‐term  maintenance  of  the  H3K27me3  mark  [12]  and  histone  macroH2A  localiza‐ tion on the Xi [13‐15]. The localization of macroH2A on  the Xi can distinguish between irreversible and reversi‐ ©AlphaMed Press 2014 

2  ble  X  chromosome  inactivation,  and  the  Xi  of  murine  epiblast  stem  cells  (EpiSCs)  without  macroH2A  can  be  reactivated  by  SCNT  through  injecting  mouse  somatic  nuclei into Xenopus laevis oocytes, which is much easier  than  the  reactivation  of  Xi  of  somatic  cells  with  macroH2A deposition [16, 17].   Epigenetic  reprogramming  has  been  considered  as  the  major  force  driving  cell  fate  changes  during  repro‐ gramming  and  transdifferentiation.  Many  epigenetic  modifications  and  factors  have  been  discovered  that  play critical roles in the induction of iPSCs. For example,  results  from  our  lab  and  others  have  shown  that  the  recently  discovered DNA hydroxylase TET proteins play  important roles in the reprogramming of iPSCs [18‐20].  Previous  studies  have  also  shown  that  numerous  his‐ tone modification enzymes function either positively or  negatively  in  somatic  cell  reprogramming.  As  one  im‐ portant epigenetic modification in female cells, X chro‐ mosome  inactivation  and  reactivation  are  involved  in  the  development  of  somatic  cloned  embryos.  Previous  SCNT  studies  showed  that  the  Xi  is  not  properly  reac‐ tivated and rather retains the epigenetic memory of the  initially  inactivated  X  chromosome,  which  is  preferen‐ tially silenced in the extraembryonic tissues [21‐24]. Full  X  chromosome  reactivation  in  SCNT  embryos  only  oc‐ curs in the inner cell mass as it does during normal em‐ bryo development [25, 26], erasing the memory of the  preimplantation  Xi  for  subsequent  random  X‐ inactivation  in  the  embryonic  tissues.  However,  little  attention  has  been  focused  on  the  role  of  X  chromo‐ some  inactivation  or  reactivation  during  female  iPSC  induction  because  most  iPSC  lines  are  derived  from  males. This prompts us to re‐evaluate the role of the X  chromosome in female somatic cell reprogramming.   The reactivation of silenced X chromosome has been  observed  during  female  somatic  cell  reprogramming  mediated by defined transcription factors [27], and Xist  disappearance  has  been  observed  in  this  process  [28,  29]. In early stage, the reprogramming of female somat‐ ic  cells  to  partially  reprogrammed  pre‐iPSCs  does  not  involve the reactivation of the Xi [30], which is similar to  the reprogramming of somatic cells to EpiSCs [31, 32]. X  chromosome  reactivation  occurs  when  pre‐iPSCs  are  converted  to  iPSCs  following  treatments  that  enhance  the  late  phase  of  reprogramming,  such  as  Vc  [30,  31,  33].   To  elucidate  the  molecular  mechanisms  of  female  iPSC  induction,  we  focused  on  X‐related  Xist  which  is  downregulated  during  reprogramming  [30],  along  with  H3K27me3 modification [34] and macroH2A deposition  [35],  both  of  which  are  barriers  during  the  reprogram‐ ming  of  somatic  cells  into iPSCs.  Our  observations  sug‐ gest  a  time‐dependent  effect  of  Xist  repression  on  fe‐ male somatic cell reprogramming. In the early stages of  reprogramming,  Xist  is  required  for  MET  progression.  However, during the transition from pre‐iPSC to iPSC in  the  late  phase  of  reprogramming,  Xist  needs  to  be  re‐ pressed  for  fully  pluripotent  iPSC  induction.  Moreover,  we  also  uncovered  a  transition  from  an  irreversible  Xi  www.StemCells.com 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition  status to  a  reversible  Xi  status,  which  is  related  to  Xist  expression  and  macroH2A  releasing,  and  can  be  aug‐ mented and stabilized by Vc.   

MATERIALS AND METHODS    Mice and Cell Culture  Pathogen‐free  mice  were  housed  in  the  animal  facility  of  the  National  Institute  of  Biological  Sciences,  Beijing.  All  of  our  study  procedures  were  consistent  with  the  guide for the care and use of laboratory animals.   Mouse  embryonic  fibroblasts  (MEFs)  were  derived  from individual 13.5‐dpc embryos collected from female  Oct4‐green  fluorescent  protein  (OG2)  transgenic  mice  [36] that had been previously mated with male Rosa26‐ M2rtTA  mice.  Genomic  DNA  was  isolated  from  the  MEFs  using  a  standard  protocol  and  the  gender  was  confirmed using the sex‐determining region Y (Sry) gene  PCR (primer listed in Table S1). Control female ESCs and  iPSCs  were  cultured  on  mitomycin  C  (MMC)‐treated  MEFs  in  ES  medium  containing  Dulbecco’s  modified  Eagle’s  medium  (DMEM)  (Gibco  Invitrogen,  Carlsbad,  CA)  supplemented  with  15%  (vol/vol)  fetal  bovine  se‐ rum  (FBS),  1  mM  L‐glutamine,  0.1  mM  mercaptoethanol,  1%  nonessential  amino  acid  stock,  and  1,000  U/ml  LIF  (all  from  Chemicon,  Temecula,  CA)  [37].  Other  reagents  used  in  the  experiments  were  doxycycline  (DOX,  Sigma‐Aldrich,  St.  Louis,  MO,  1  μg/ml),  IPTG  (Sigma‐Aldrich,  St.  Louis,  MO,  4  mM)  and  Vc (Sigma‐Aldrich, St. Louis, MO, 50 μg/mL).    

Plasmid and iPS Cells Induction  pFUW‐tetO‐Oct4,  Sox2,  Klf4  and  c‐Myc  (TetO‐OSKM)  were  generously  provided  by  Dr.  Rudolf  Jaenisch’s  la‐ boratory at the Whitehead Institute for Biomedical Re‐ search.  The  control  vectors  used  were  pLKO‐based  IPTG‐inducible  non‐target  shRNA  (SHC332,  Sigma‐ Aldrich,  St.  Louis,  MO)  and  pSicoR  (11579,  Addgene,  Cambridge,  MA).  The  Xist  shRNA  sequence  was  cloned  into the IPTG‐inducible PLKO vector and the pSicoR vec‐ tor under the U6 promoter. All oligos designed for Xist  knockdown are listed in Table S1.   The  iPSCs  derivation  procedure  was  performed  ac‐ cording  to  the  methods  described  previously  [33,  37,  38].  MEFs  were  first  infected  with  TetO‐OSKM  lentiviruses,  along  with  the  pLKO‐based  IPTG‐inducible  Xist shRNA, the non‐target control shRNA lentivirus, the  pSicoR‐based  Xist  shRNA,  or  the  control  empty‐pSicoR  lentivirus.  The  infected  MEFs  were  then  cultured  in  ES  medium supplemented with DOX, and IPTG was added  to  the  culture  medium  according  to  the  experimental  design. Oct4‐GFP‐positive iPSCs (GFP‐iPSCs) were picked  and  digested  for  subsequent  culture  on  MMC‐treated  MEFs.   To  derive  the  pre‐iPSCs,  colonies  were  picked  and  cultured  on  MEFs.  Oct4‐GFP‐negative  colonies  that  re‐ mained GFP negative during passage were selected. To  derive  the  GFP‐iPSCs  from  the  pre‐iPSCs,  the  pre‐iPSCs  ©AlphaMed Press 2014 



Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition 

were treated with DOX, Vc and IPTG as described. Oct4‐ GFP‐positive colonies were then selected and passaged.    

CA,  www.bdbiosciences.com)  according  to  standard  proce‐ dures.    

Experimental Design 

AP Staining 

To  investigate  the  effects  of  Xist  repression  from  the  beginning of iPSC induction, MEFs (50000‐100000 cells /  35  mm  dish)  were  infected  at  passage  3  with  TetO‐ OSKM  lentiviruses,  along  with  either  pSicoR‐based  Xist  shRNA  or  control  empty‐pSicoR  lentivirus,  and  then  treated with either DOX or DOX plus IPTG. The efficien‐ cy  of  iPSC  generation  was  calculated  from  the  number  of  colonies  that  were  both  alkaline  phosphatase  (AP)‐ positive and morphologically similar to the ESCs at day  15.  The  same  experiments  were  performed  with  IPTG‐ inducible pLKO‐based Xist shRNA and non‐target control  shRNA lentivirus as described above.   To  investigate  the  temporal  effects  of  Xist  repres‐ sion  on  iPSC  induction,  MEFs  were  infected  with  TetO‐ OSKM  and  pLKO‐based  IPTG‐inducible  Xist  shRNA  lentivirus  and  then  treated  with  DOX.  IPTG  was  added  to  the  induction  medium  at  different  time  points.  The  efficiency of the resulting iPSC generation was calculat‐ ed  by  counting  the  number  of  AP‐positive  colonies  at  day 18. The same experiments were performed with the  pLKO‐based non‐target control shRNA lentivirus to con‐ trol for the effects of IPTG treatment.   To  investigate  the  effects  of  Xist  repression  and  Vc  on the transition from pre‐iPSCs to iPSCs, pre‐iPSCs car‐ rying  the  pLKO‐based  IPTG‐inducible  Xist  shRNA  were  cultured in ES medium with DOX and then treated with  different combinations of IPTG and Vc as designed. The  efficiency  of  iPSC  generation  was  calculated  using  the  number of Oct4‐GFP‐positive colonies.   Each  treatment  group  of  the  above  experiments  contained three replicates.    

AP staining was performed with the Leukocyte Alkaline  Phosphatase  Kit  (Sigma‐Aldrich,  St.  Louis,  MO)  accord‐ ing to the manufacturer’s recommendations.    

Real‐time PCR (qPCR)  The total RNA was purified with Trizol reagent (Invitrogen,  Grand Island, NY) and reverse transcribed using M‐MLV Re‐ verse  Transcriptase  (Promega,  Madison,  WI)  and  Rnasein  Rnase  Inhibitor  (Promega,  Madison,  WI)  according  to  the  manufacturer’s recommendations. The qPCR was performed  with  SYBR  Premix  Ex  Taq  (Takara,  Tokyo,  Japan)  and  the  ABI7500  Real‐Time  PCR  System  (Applied  Biosystems,  Grand  Island,  NY,  www.lifetechnologies.com).  All  reactions  were  performed  in  triplicate  using  a  1/10  concentration  of  the  cDNA  obtained  as  described  above.  The  expression  level  of  the gene transcript in each sample was normalized to glycer‐ aldehyde‐3‐phosphate  dehydrogenase  (GAPDH),  and  the  relative expression level was estimated using the comparative  CT method. Primers used are listed in Table S1.    

Fluorescence Activated Cell Sorting (FACS)  Analysis  Pluripotent  cells  were  digested  and  removed  from  the  MMC‐treated  MEFs  using  differential  adhesion.  FACS  was  performed to differentiate the GFP‐positive and GFP‐negative  cells, using a FACS LSRII instrument (BD biosciences, San Jose,  www.StemCells.com 

RNA Fluorescence In Situ Hybridization (FISH)  and Immunofluorescence Staining  RNA  FISH  for  Xist  was  performed  with  a  Type  1  Probe  Set  (Cy3)  according  to  the  user  manual  for  the  QuantiGene ViewRNA ISH Cell Assay (Affymetrix, Santa  Clara, CA).   For  the  detection  of  the  MET  or  pluripotent  mark‐ ers, iPSCs grown on the gelatin coated cover slides were  fixed in 4% paraformaldehyde, permeabilized with 0.1%  Triton‐X,  blocked  with  5   BSA  and  incubated  with  the  first antibody against Nanog (1:500, Cosmo Bio Co., Ltd,  Tokyo,  Japan),  SSEA1  (1:200,  Millipore,  Darmstadt,  Germany) and beta‐catenin (1:500, Santa Cruz Biotech‐ nology,  Inc.,  Texas,  U.S.A.)  according  to  a  protocol  de‐ scribed  elsewhere  [39].  For  the  X  chromosome  related  protein,  immunofluorescence  staining  was  performed  as  previously  described  [35],  first  using  an  antibody  against  H3K27me3  (1:250,  Millipore,  Darmstadt,  Ger‐ many)  and  macroH2A  (1:100,  Millipore,  Darmstadt,  Germany).  The  samples  were  incubated  with  the  ap‐ propriate secondary antibodies after three washes. The  following  fluorochrome‐conjugated  secondary  antibod‐ ies  were  applied:  Alexa  Fluor  594  goat  anti‐rabbit  IgG  (Molecular  Probes,  Grand  Island,  NY),  Alexa  Fluor  594  goat  anti‐mouse  IgM  (Molecular  Probes,  Grand  Island,  NY),  Alexa  Fluor  594  goat  anti‐mouse  IgG  (Molecular  Probes,  Grand  Island,  NY)  and  Alexa  Fluor  594  rabbit  anti‐goat IgG (Molecular Probes, Grand Island, NY). The  DNA was labeled with DAPI, and the stained cells were  mounted  on  slides.  The  slides  were  observed  with  a  NIKON ECLIPSE 80i microscope (Nikon Instruments Inc.,  Melville,  NY,  www.nikoninstruments.com)  using  the  Plan Fluor 40×/ Oil 100× objective. Selected layers were  focused  on  using  the  Volocity  Demo  5.5  software  (PerkinElmer, Massachusetts, www.perkinelmer.com).    

Teratoma Formation and Chimeric Mouse  Generation 

For  the  teratoma  formation,  106  female  iPSCs  or  pre‐ iPSCs  were  injected  subcutaneously  into  each  flank  of  nude  BALB/C  mice.  Paraffin  sections  of  the  formalin‐ fixed  teratoma  specimens  were  prepared  3–5  weeks  after the injections, and an analysis of the H&E‐stained  tissue sections was performed for each specimen.   Chimeric  mice  were  generated  as  previously  de‐ scribed  [37].  In  brief,  approximately  10  iPS  cells  were  microinjected  into  the  ICR  eight‐cell  embryos  using  a  piezo‐actuated  microinjection  pipette.  After  culturing  for 1 day, the embryos were transplanted into the uter‐ us  of  pseudopregnant  mice.  When  the  chimeric  mice  ©AlphaMed Press 2014 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition 

4  reached  adulthood,  they  were  mated  with  ICR  mice  to  test for germ‐line transmission.    

RESULTS   

Knockdown of Xist Showed Opposite Effects  in the Early and Late Stages of the Repro‐ gramming of Female Somatic Cells to iPSCs  To  explore  the  potential  role  of  Xist  repression  in  iPSC  induction, two shRNA expression systems were used in  our  studies  of  Xist  repression.  The  first  was  a  pSicoR‐ based system that could induce shRNA expression con‐ stitutively; the second was a pLKO‐based IPTG‐inducible  system that could control shRNA expression at different  time points (Figure. S1A, S1B).   We  first  investigated  the  effects  of  Xist  repression  from  the  beginning  of  iPSC  induction.  Mixtures  of  fe‐ male and male OG2 MEFs were infected with the TetO‐ OSKM  lentiviruses  and  either  the  pSicoR‐based  Xist  shRNA virus or the control empty‐pSicoR virus. We no‐ ticed that the AP‐positive colony numbers (0.32% com‐ pared to 0.54%) significantly decreased in the MEFs that  had  been  induced  with  Oct4/Sox2/Klf4/c‐Myc  (OSKM)  and  Xist  shRNA  compared  to the  empty‐pSicoR  control  group (Figure. S1C, S1D). Because Xist is expressed only  in female MEFs, we then derived MEFs from female and  male embryos separately to investigate the role of Xist  repression in the different genders. For the females, the  number  of  AP‐positive  colonies  produced  from  the  MEFs induced with OSKM and Xist shRNA was approxi‐ mately  30  percent  of  that  from  the  empty‐pSicoR  con‐ trol group (Figure. 1A, 1B). However, no significant dif‐ ference was observed between the TetO‐OSKM and the  Xist  shRNA  infected  male  MEFs  and  the  empty‐pSicoR  control  group  (Figure.  1A,  1B).  The  number  of  GFP‐ positive  colonies  was  consistent  with  the  AP  staining  results  (Figure.  1B).  Taken  together,  these  results  sug‐ gest  that  Xist  repression  in  the  early  stages  of  repro‐ gramming  decreased  the  reprogramming  efficiency  of  female  MEFs  while  only  slightly  affecting  male  iPSC  generation.  This  was  further  demonstrated  using  adult  female tail tip fibroblasts (TTFs) (Figure. S1E, S1F). Simi‐ lar  results  were  abtained  from  experiments  using  an‐ other  Xist  shRNA  (Figure.  S1G S1H).  We  also  repeated  our  experiments  using  the  IPTG‐inducible  Xist  shRNA  and  non‐target  shRNA  control  and  obtained  similar  re‐ sults (Figure. S1I).   The  above  data  showed  that  early  Xist  knockdown  decreased the reprogramming efficiency of female iPSC  induction. Considering that the silenced X chromosome  might  be  reactivated  during  the  late  stage  of  repro‐ gramming,  we  hypothesized  that  Xist  repression  might  function  differently  during  the  early  and  late  stages  of  reprogramming.  To  test  our  hypothesis,  female  MEFs  were infected with the TetO‐OSKM virus, along with the  IPTG‐inducible Xist shRNA virus, in order to control Xist  repression  at  different  time  points.  The  Xist  shRNA  could  successfully  down‐regulate  Xist  expression  to  www.StemCells.com 

25.97% (Figure. S1B), and colonies appeared at around  day  (D)  9  in  the  OSKM  induced  reprogramming.  Xist  expression could be observed for as long as 12 days in  some cells undergoing reprogramming but disappeared  in the derived GFP‐iPSCs (Figure. S1J). When Xist shRNA  was  induced  by  IPTG  starting  at  D0  of  reprogramming,  the  number  of  AP‐positive  colonies  was  only  50%  of  that of the  pLKO‐non‐target‐shRNA control group, 58%  of non‐IPTG treated Xist shRNA infected group, further  confirming our previous observations of the pSicoR sys‐ tem (Figure. 1C, 1D). Moreover, IPTG treatment during  the first 8 days resulted in the formation of significantly  fewer  AP‐positive  colonies.  However,  IPTG  treatment  after  D9  resulted  in  the  formation  of  more AP‐positive  colonies,  producing  a  1.5‐fold  increase  over  the  non‐ target  shRNA  control  group,  and  IPTG  treatment  after  D12 also resulted in the formation of around 2 fold in‐ crease  of  AP‐positive  colonies  (Figure.  1C,  1D,  1E,  1F).  We further confirmed that this was not due to the IPTG  treatment itself, as female MEFs infected with the TetO‐ OSKM and the non‐target control shRNA had no signifi‐ cant  effects  on  the  formation  of  AP‐positive  colonies  when  IPTG  was  added  at  different  time  points  (Figure.  1E).   Taken together, the above results demonstrate that  Xist repression during the first 8 days of reprogramming  decreases  the  efficiency  of  female  somatic  cell  repro‐ gramming,  while  Xist  repression  after  D9  can  actually  improve the efficiency of reprogramming.    

The Knockdown of Xist Impaired MET in the  Early Stage of Reprogramming  To  investigate  the  dynamic  roles  of  Xist  repression  in  decreasing reprogramming efficiency, we first hypothe‐ sized  that  Xist  depletion  could  cause  cell  death  or  re‐ duce  cell  proliferation.  We  infected  female  MEFs  with  the TetO‐OSKM virus along with either Xist shRNA or an  empty‐pSicoR  control  virus.  However,  no  significant  differences in cell proliferation were noticed during first  4  days  between  the  OSKM  and  Xist  shRNA  treated  group and the empty‐pSicoR control group (Figure. 2A).  The  cell  numbers  began  to  show  differences  after  D6  (Figure.  2A),  indicating  that  some  epigenetic  changes  accumulated during the early reprogramming stage that  were not apparent from the cell proliferation.   The second  hypothesis  was that  Xist  repression im‐ pairs MET during the initiation phase of reprogramming  [40,  41].  We  harvested  the  mRNA  of  female  MEFs  in‐ duced  with  OSKM  and  either  Xist  shRNA  or  empty‐ pSicoR  control  shRNA  during  reprogramming.  We  then  analyzed  the  expression  levels  of  mesenchymal  and  epithelial marker genes. Compared to the empty‐pSicoR  control  group,  mesenchymal  genes  (Slug,  Bmp2,  Tgfb1  and Zeb1) showed a delayed downregulation in the Xist  shRNA treated group (Figure. 2B), while epithelial genes  (Epcam,  Cdh1,  Tgfb3  and  Tgfbr3)  showed  an  inhibited  upregulation (Figure. 2C). As a consequence of aberrant  MET,  the  expression  of  pluripotent  markers  Esrrb,  SSEA1 and Sox2 appeared much lower in the Xist shRNA  ©AlphaMed Press 2014 

5  treated  group  (Figure.  2D). In  addition,  a  delayed  mor‐ phological  transformation  and  fewer  cell  aggregations  were observed in the Xist shRNA group compared with  non‐target shRNA treated group (Figure. S2A). Further‐ more,  cells  with  beta‐catenin‐positive  epithelial‐like  intercellular  junctions  appeared  less  in  Xist  shRNA‐ treated  group  (Figure.  S2B).  These  results  suggest  that  Xist  repression  at  the  beginning  of  female  iPSC  induc‐ tion decreased reprogramming efficiency by interfering  with MET process.    

The Knockdown of Xist Facilitates the Transi‐ tion of pre‐iPSCs to iPSCs  Our  observation  that  Xist  repression  increased  repro‐ gramming  efficiency  after  colony  formation,  when  the  cells were in the pre‐iPSC stage, suggested a functional  relationship between Xist repression and the transition  from pre‐iPSCs to iPSCs. We next sought to investigate  whether  Xist  repression  played  an  important  role  in  promoting pre‐iPSC reprogramming.   In our system, the removal of exogenous OSKM dur‐ ing the first 8 days caused cells to return to fibroblast‐ like  phenotype  and  resulted  in  no  colony  formation  at  D12,  regardless  of  whether  Xist  shRNA  was  induced  after  exogenous  OSKM  withdrawal  (data  not  shown).  This  indicated  that  Xist  repression  could  not  compen‐ sate for exogenous OSKM in reprogramming.   To observe the pre‐iPSC to iPSC transition, pre‐iPSCs  were  derived  by  infecting  female  OG2  MEFs  with  the  TetO‐OSKM  and  the  IPTG‐inducible  Xist  shRNA.  Oct4‐ GFP‐negative  colonies  were  then  selected  around  D12  (Figure.  3A).  These  Oct4‐GFP‐negative  pre‐iPSCs  lacked  endogenous Oct4 expression and lost their colony mor‐ phology after DOX withdrawal (Figure. 3B).   Subsequently,  Xist  could  be  knocked  down  in  the  derived  pre‐iPSCs  when  treated  with  IPTG,  making  it  possible to observe a relationship between Xist repres‐ sion  and  the  pre‐iPSC  to  iPSC  transition.  For  some  un‐ stable  pre‐iPSCs  that  could  easily  turn  into  GFP‐iPSCs  themselves,  IPTG  treatment  enhanced  the  Oct4‐GFP‐ positive  colony  formation,  although  this  increase  was  less than 2‐fold in magnitude (Figure. S3A). For the sta‐ ble  pre‐iPSCs  that  remained  Oct4‐GFP‐negative  for  a  relatively  long  time,  the  IPTG  treatment  significantly  increased  the  formation  of  Oct4‐GFP‐positive  colonies  by  approximately  4‐  to 6‐fold  over  the  no‐IPTG  control  group,  especially  when  accompanied  with  Vc  (Figure.  S3B). To investigate whether this increase was a conse‐ quence  of  accelerated  reprogramming  kinetics,  we  di‐ vided the same stable pre‐iPSCs into four groups, each  of  which  received  different  treatments  in  a  24‐format  experiment. One group was treated with only DOX as a  control, the second group was treated with IPTG for Xist  repression, the third group was treated with Vc to facili‐ tate pre‐iPSC reprogramming, and the fourth group was  treated  with  both  IPTG  and  Vc.  The  number  of  Oct4‐ GFP‐positive  colonies  was  counted  during  iPSC  induc‐ tion.  We  noticed  that  Oct4‐GFP‐positive  colonies  ap‐ peared  at  about  D5  in  all  groups  and  grew  in  number  www.StemCells.com 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition  until about D12 (Figure. 3C), indicating that Xist repres‐ sion did not promote iPSC induction by accelerating the  reprogramming  kinetics.  Furthermore,  FACS  analysis  showed that approximately 10% of the pre‐iPSCs treat‐ ed  with  IPTG  and  Vc  became  Oct4‐GFP  positive,  com‐ pared with 1.62% of the pre‐iPSCs treated with only Vc  (an  approximately  6‐fold  change)  (Figure.  3D,  3E).  The  Oct4‐GFP‐positive colonies produced after the pre‐iPSCs  were  treated  with  IPTG  and  Vc  appeared  larger  and  brighter than those produced with only Vc (Figure. 3F).  These  results  demonstrate  that  Xist  repression  pro‐ motes the pre‐iPSC to iPSC transition and that the com‐ bination of IPTG and Vc treatment is the most efficient.    

X Chromosome Inactivation Status and  Pluripotency Differs in Female pre‐iPSCs and  GFP‐iPSCs  We  next  sought  to  compare  the  pluripotent  marker  expression and  X chromosome inactivation  pattern be‐ tween  the  pre‐iPSCs  and  GFP‐iPSCs  that  were  derived  from  pre‐iPSCs  after  IPTG  and  Vc  treatment.  The  pre‐ iPSCs  were  quite  different  from  the  GFP‐iPSCs,  as  they  express Xist and stain positively for H3K27me3 on the Xi  (Figure.  4A,  4B,  5A,  S4A,  S4B).  Moreover,  unlike  the  GFP‐iPSCs,  the  pre‐iPSCs  were  DOX  dependent,  endog‐ enous  Oct4‐GFP  negative,  and  lacked  expression  of  Nanog  and  other  pluripotent  genes,  such  as  endoge‐ nous Sox2, Dppa4 and Rex1 (Figure. 3B, 4C, S4C). In ad‐ dition, the pre‐iPSCs and GFP‐iPSCs both stain positively  for  SSEA1  (Figure.  4D).  Taken  together,  these  results  demonstrate  that  the  pre‐iPSCs  had  a  status  similar  to  EpiSCs, which also have Xist expression and H3K27me3  on the Xi [42‐44], making them more easily differentiat‐ ed than the GFP‐iPSCs and ESCs.   We  then  sought  to  evaluate  the  capability  of  the  pre‐iPSCs and GFP‐iPSCs to differentiate into three germ  layers.  As  a  consequence  of  their  lower  pluripotency,  the pre‐iPSCs were incapable of inducing teratoma for‐ mation  when  injected  into  BALB/C  mice.  In  contrast,  most  GFP‐iPSCs  contributed  to  teratomas  with  three  germ layers (Figure. 4E). Next, we performed blastocyst  injection to further confirm the pluripotency of the GFP‐ iPSCs. Chimeric mice with germline transmission ability  could  be  efficiently  produced  from  the  GFP‐iPSCs  cell  lines  while  the  pre‐iPSCs  could  not  (Figure.  4F,  Table.  S2).  These  results  demonstrated  that  the  pre‐iPSCs  lacked full pluripotency compared to the GFP‐iPSCs.    

The Knockdown of Xist Converted the Xi From  an Irreversible to Reversible State  Our  previous  data  suggested  that  pre‐iPSCs  exist  in  an  EpiSC‐like state. However, when we focused on some X  chromosome related proteins, we found that pre‐iPSCs  had  higher  macroH2A  expression  than  the  GFP‐iPSCs  and stained positive for macroH2A on the Xi (Figure. 5A,  5B). Considering that the EpiSCs were observed to have  Xist  expression  without  macroH2A  binding  on  the  Xi  [17, 42‐44], our pre‐iPSCs were in a more differentiated  ©AlphaMed Press 2014 

6  state  than  the  EpiSCs,  with  irreversible  Xi  indicated  by  the deposition of macroH2A. Based on the characteris‐ tics of reversible and irreversible Xi and the relationship  between Xist and macroH2A, we hypothesized that Xist  knockdown could help in releasing macroH2A from the  Xi to transit the Xi of pre‐iPSCs from an irreversible to a  reversible state.   To  address  this  hypothesis,  pre‐iPSCs  were  first  treated  with  IPTG  to  induce  Xist  shRNA,  and  Vc  was  added  as  described  earlier.  IPTG  was  then  withdrawn  from  the  medium  at  different  time  points,  and  the  Oct4‐GFP‐postive cells were measured by FACS at D12.  The  percentage  of  Oct4‐GFP‐positive  cells  among  the  pre‐iPSCs  that  were  never  treated  with  IPTG  was  used  as  a  control  and  for  normalization  purposes.  Without  the addition of Vc, a slight increase in the generation of  Oct4‐GFP‐positive  cells  was  observed  (Figure.  5C,  left).  Meanwhile, dramatic increase (of approximately 4‐fold)  in the generation of Oct4‐GFP‐positive cells was noticed  when the pre‐iPSCs were treated with both IPTG and Vc  (Figure. 5C, right). However, when IPTG was withdrawn  in  the  first  2  days,  leaving  only  Vc  treatment,  the  per‐ centage  of Oct4‐GFP‐positive  cells  achieved  was  nearly  the same as in control group treated with only Vc (Fig‐ ure.  5C,  right).  A  significant  increase  (of  more  than  2‐ fold) was achieved when IPTG was withdrawn after D3,  and  this  increase  was  maximized  when  IPTG  was  with‐ drawn  after  D5  (Figure.  5C,  right).  These  observations  suggest a gradual process for Xist repression to remodel  the Xi in the first 5 days with the help of Vc.   To  further  investigate  Xist  expression,  H3K27me3  and  macroH2A  deposition  on  the  Xi  during  the  transi‐ tion from pre‐iPSCs to iPSCs, we divided the same pre‐ iPSCs into four groups and treated them separately with  DOX, DOX plus IPTG, DOX plus Vc, or DOX plus both Vc  and  IPTG.  We  found  that  cells  with  Xist  expression,  H3K27me3  and  macroH2A  deposition  on  the  Xi  were  gradually  reduced  during  pre‐iPSC  reprogramming,  but  the  downregulation  of  Xist  occurred  first  and  H3K27me3  disappeared  finally  (Figure  5D,  5E,  5F).  Therefore, we propose that Xist repression might occur  early  during  X  chromosome  reactivation  followed  by  macroH2A release and loss of H3K27me3. As expected,  we  confirmed  that  the  pre‐iPSCs  in  all  groups  had  H3K27me3  on  the  Xi  in  first  3  days  of  culture,  but  lost  macroH2A  localization  in  the  Xi  when  Xist  was  re‐ pressed in IPTG treated groups (Figure. 5B, 5D, 5E, 5F).  The pre‐iPSCs treated or not treated with IPTG differed  significantly  in  the  percentage  of  cells  containing  macroH2A  on  the  Xi  but  not  H3K27me3  during  first  8  days  of  culture  (Figure.  5D,  5E).  These  results  demon‐ strate  that  Xist  repression  mainly  affects  macroH2A  deposition, but not H3K27me3, on the Xi of pre‐iPSCs.   We  further  investigated  the  role  of  Vc  on  Xist  ex‐ pression, H3K27me3 modification and macroH2A depo‐ sition.  Vc  was  found  to  accelerate  H3K27me3  elimina‐ tion  from  the  Xi,  as  Vc  treated  groups  were  found  to  have a lower percentage of cells with H3K27me3 on the  Xi (Figure 5D). In contrast, when comparing Vc‐only and  www.StemCells.com 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition  DOX‐only  group,  Vc  itself  had  no  significant  effects  on  macroH2A release and Xist repression (Figure. 5E, 5F).    

Vc Helps in Maintaining the Reversible X  Chromosome State  According  to  the  above  findings,  Xist  repression  pro‐ motes  macroH2A  release  from  the  Xi  during  pre‐iPSC  reprogramming. We then further tested whether Xist is  re‐expressed and macroH2A is recruited to the Xi after  IPTG  withdrawal.  When  pre‐iPSCs  were  first  treated  with IPTG for 3 days and then cultured without IPTG for  another 3 days, re‐expression of Xist was observed and  most  cells  showed  macroH2A  relocalization  to  the  Xi,  similar to those that were never treated with IPTG (Fig‐ ure. 6A, 6B left, 6C left). However, for pre‐iPSCs treated  continually  with  Vc,  although  the  re‐expression  of  Xist  could be observed, the cells lost macroH2A from the Xi  and  did  not  get  macroH2A  back  after  IPTG  withdrawal  (Figure. 6B right, 6C right, 6D). These observations indi‐ cate that cells losing Xist were not in a stable state and  some  unknown  factors  can  induce  Xist  re‐expression  and macroH2A recruitment. But Vc can help to prevent  macroH2A  relocalization.  Furthermore,  when  pre‐iPSCs  were  first  treated  with  IPTG  for  5  days  and  then  cul‐ tured  without  IPTG  for  another  3  days,  the  re‐ expression  of  Xist  was  no  longer  observed  (Figure  6A,  6B, 6D). However, the relocalization of macroH2A to the  Xi still occurred in non‐Vc treated group (Figure 6A, 6C,  6D),  indicating  that  macroH2A  was  released  but  not  completely eliminated at this time, and may be recruit‐ ed  to  the  Xi  by  remaining  Xist.  We  also  examined  whether  H3K27me3  on  the  Xi  can  be  affected  by  IPTG  and  Vc  treatment.  In  fact,  Vc  accelerated  H3K27me3  elimination from the Xi in pre‐iPSCs and the withdrawal  of  IPTG  did  not  block  this  process  (Figure.  6A,  6D,  6E).  Our  results  demonstrate  that  the  effect  of  Xist  repres‐ sion on the X chromosome is reversible during the early  stage of female pre‐iPSCs reprogramming but becomes  irreversible at the late stage before X chromosome was  completely reactivated. Xist repression mainly released  macroH2A  from  the  Xi  to  convert  the  irreversible  Xi  of  the pre‐iPSCs to a reversible Xi status. Furthermore, Vc  had  certain  advantage  on  H3K27me3  elimination  from  the Xi and prevented macroH2A relocalization to the Xi.   We  also  investigated  the  effects  of  Xist  repression  on  H3K27me3  mark  and  macroH2A  deposition  at  the  early stage of reprogramming. We found that most cells  showed  Xist  expression,  macroH2A  deposition  and  H3K27me3 mark on the Xi during the early stage of re‐ programming.  Xist  repression  could  release  macroH2A  from  the  Xi  but  H3K27me3  was  not  affected  (Figure  S5A, S5B, S5C). Moreover, we observed a reversible Xist  repression  process  in  female  MEFs  induced  with  Tet‐ OSKM and IPTG for first 3 days and then cultured with‐ out  IPTG  for  another  3  days.  After  IPTG  withdraw,  Xist  re‐expressed  and  macroH2A  relocalized  to  the  X  chro‐ mosome  (Figure  S5D,  S5E),  similar  to  that  observed  in  the  early  stage  of  reprogramming  of  pre‐iPSCs.  The  X 

©AlphaMed Press 2014 

7  chromosome was not reactivated during this process as  H3K27me3 persisted on the Xi (Figure S5F).    

A Model for the X Chromosome Reactivation  in Female iPSCs Induction  Taken  all  together,  this  study  demonstrated  that  Xist  repression  shows  time‐dependent  effects  on  female  somatic  cell  reprogramming.  The  knockdown  of  Xist  impairs  MET  in  the  early  phase  of  iPSC  induction  but  plays an important and beneficial role in the late phase  of reprogramming. Moreover, Xist repression facilitates  the  pre‐iPSC  to  iPSC  transition  by  releasing  macroH2A  from  the  Xi.  The  Xi  in  pre‐iPSC  undergoes  a  transition  from  Xist  shRNA  dependent  reversible  stage  to  a  Xist  shRNA independent stage before complete reactivation.  Vc helps in eliminating H3K27me3 from the Xi, prevent‐ ing macroH2A relocalization to the Xi and stabilizing the  reversible Xi (Figure 6F).     DISCUSSION    In the present study, we demonstrate that Xist repres‐ sion has a time‐dependent effect on female iPSC induc‐ tion, which is different from the results obtained in pre‐ vious SCNT studies. Xist repression in the early stage of  female  somatic  cell  reprogramming  can  greatly  de‐ crease  iPSC  induction  by  suppressing  MET  progression.  In  contrast,  Xist  repression  in  the  late  stage  of  repro‐ gramming  can  greatly  facilitate  the  pre‐iPSC  to  iPSC  transition.   For the early stage of reprogramming, the MET has  been  considered  to  be  one  of  the  most  well‐defined  molecular  events  [40,  41].  Our  observations  that  Xist  expression  impairs  MET  progression  in  the  early  stage  of female somatic cell reprogramming indicate a corre‐ lation between the MET and the Xist expression. As Xist  is reported to function in maintaining genomic stability  and X chromosome silencing in somatic cells, it may be  required for preventing aberrant genomic and epigenet‐ ic changes in early reprogramming stage. Consequently,  the knockdown of Xist in the early stage of reprogram‐ ming  may cause  some  aberrant  epigenetic  changes  ac‐ cumulated  which  triggers  impaired  MET  and  delayed  cell proliferation. Following the built‐up of a preliminary  pluripotent  network,  Xist  functions  negatively  in  the  late stage  of  reprogramming.  At this point,  the  repres‐ sion  of  Xist  can  facilitate  reprogramming.  However,  it  remains  unknown  how  the  repression  of  Xist,  a  Xi‐ related  RNA  transcript  but  not  a  movable  protein,  af‐ fects  the  expression  of  MET‐related  autosomal  genes.  The female iPSC induction system might provide a use‐ ful  tool  for  dissecting  the  connection  between  Xist  re‐ pression and autosomal genes regulation.   The  beneficial  effect  of  Xist  repression  on  the  pre‐ iPSC to iPSC transition attracted significant interest with  respect to understanding the process of X chromosome  reactivation  in  reprogramming.  According  to  previous  finding, loss of silencing marks on the X chromosome in  www.StemCells.com 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition  female  cells  is  a  diagnostic  feature  of  fully  pluripotent  state and provides unambiguous demonstration of ma‐ jor epigenetic erasure[45]. Despite acquiring some simi‐ larities to ES cells, partially reprogrammed iPSCs with X‐ inactivation and Xist expression are in a status similar to  EpiSCs,  which  are  inefficient  for  teratoma  formation  and  chimeric  mice  generation.  Therefore,  X  chromo‐ some  reactivation  is  important  for  attaining  true  pluripotency  during  reprogramming.  In  addition,  Xist  can  recruit  X  chromosome  silencing  factors  and  thus  antagonize  the  X  chromosome  reactivation  process.  Failing to repress Xist completely in the partially repro‐ grammed iPSCs is linked to a more differentiated state.  Taken  together,  Xist  and  X‐inactivation  might  function  as the barriers for female somatic cell reprogramming.   To  elucidate  the  mechanism  of  the  X  chromosome  reactivation, we focused particularly on Xist expression  and the Xi‐enriched histone variant macroH2A and his‐ tone  modification  H3K27me3,  and  found  that  Xist  re‐ pression can successfully release macroH2A from the Xi.  Interestingly, the relocalization of macroH2A onto the X  chromosome  could  be  detected  when  IPTG  was  with‐ drawn  from  the  pre‐iPSC  culture  (which  stops  the  Xist  repression), indicating that some unknown factors per‐ sist to maintaining the Xi. Therefore, other factors facili‐ tating  the  reprogramming  are  required  for  complete  reactivation of the X chromosome after Xist repression.  We  have  found  that  Vc  has  certain  advantage  on  H3K27me3  elimination  from  the  Xi  and  prevent  the  relocalization  of  macroH2A  to  the  Xi.  Taken  together,  the combination of Xist repression and Vc treatment is  an efficient combination for X chromosome reactivation  during the pre‐iPSC to iPSC transition in female somatic  cell reprogramming.   Reprogramming can be considered as the reversal of  differentiation  in  many  aspects  [46].  According  to  pre‐ viously reported Xist‐dependent reversible Xi transition  to Xist‐independent irreversible Xi, macroH2A produced  an  irreversible  Xi  status  during  differentiation  [5].  We  raised the hypothesis that during the reprogramming of  somatic  cells  to  pre‐iPSCs,  the  X  chromosome  remains  in  an  irreversible  silencing  state  with  Xist  expression  and  the  macroH2A  deposition,  then  the  irreversible  Xi  turns  into  a  reversible  status  without  Xist  expression  and macroH2A deposition and is then completely reac‐ tivated in the final stage of reprogramming. We indeed  noticed  that  the  effect  of  Xist  shRNA  changed  from  a  reversible to irreversible state during the reactivation of  the Xi in reprogramming of pre‐iPSCs to iPSCs.   Previous SCNT studies showed that the Xi can not be  completely reactivated and rather retains the epigenet‐ ic  memory  of  the  inactive  X  chromosome  [21,  22,  24].  Similarly,  the  similar  epigenetic  memory  might  also  function  during  iPSCs  induction.  Taking  into account of  some  aberrant  reactivated  X  chromosomes  that  had  eliminated H3K27me3 but retained macroH2A, they are  in an unstable status that can be silenced by X chromo‐ some  inactivation  factors  recruited  by  macroH2A.  Alt‐ hough  we  focused  on  macroH2A  in  the  present  study,  ©AlphaMed Press 2014 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition 

8  other proteins acting in X chromosome inactivation may  also  aberrantly  remain  on  the  Xi  after  X  chromosome  reactivation. This prompts us to re‐consider the charac‐ ter  of a  truly  reactivated  X  chromosome,  which  should  not  be  defined  based  solely  on  the  absence  of  H3K27me3.  Therefore,  it  deserves  to  further  dissect  other  factors  that  might  involve  in  antagonizing  the  X  chromosome reactivation in female somatic cells in the  future.     CONCLUSION    In conclusion, we have demonstrated for the first time  that the repression of Xist plays a time‐dependent role  in  female  iPSC  induction,  which  is  distinct  from  that  observed  in  somatic  cloned  embryos.  Xist  repression  impairs  MET  in  the  early  phase  of  reprogramming  but  promotes  the  pre‐iPSC  to  iPSC  transition  in  the  late  phase.  Most  importantly,  we  discovered  a  Xist‐ repression‐dependent reversible Xi stage in the X chro‐ mosome reactivation process in female iPSCs induction.  During this process, the release of macroH2A from the  Xi through Xist depletion can cause the transition from  irreversible  Xi  to  a  reversible  Xi.  Meanwhile,  Vc  aug‐ ments and stabilizes the reversible Xi status by acceler‐ ating H3K27me3 elimination and preventing macroH2A  relocalization to the Xi.      

REFERENCES    1    Penny  GD,  Kay  GF,  Sheardown  SA  et  al.  Requirement  for  Xist  in  X  chromosome  inactivation. Nature. 1996;379:131‐137.   2  Marahrens Y, Panning B, Dausman J et al.  Xist‐deficient  mice  are  defective  in  dosage  compensation  but  not  spermatogenesis.  Genes & development. 1997;11:156‐166.   3    Hernandez‐Munoz  I,  Lund  AH,  van  der  Stoop  P  et  al.  Stable  X  chromosome  inactivation  involves  the  PRC1  Polycomb  complex  and  requires  histone  MACROH2A1  and  the  CULLIN3/SPOP  ubiquitin  E3  ligase.  Proceedings  of  the  National  Academy  of  Sciences  of  the  United  States  of  America.  2005;102:7635‐7640.   4   Schoeftner S,  Sengupta AK, Kubicek S et  al.  Recruitment  of  PRC1  function  at  the  initiation  of  X  inactivation  independent  of  PRC2  and  silencing.  The  EMBO  journal.  2006;25:3110‐3122.   5    Wutz  A,  Jaenisch  R.  A  shift  from  reversible  to  irreversible  X  inactivation  is  triggered  during  ES  cell  differentiation.  Molecular cell. 2000;5:695‐705.   6    Minkovsky  A,  Patel  S,  Plath  K.  Concise  review:  Pluripotency  and  the  transcriptional  inactivation  of  the  female  Mammalian  X  chromosome. Stem cells. 2012;30:48‐54.   7    Avner  P,  Heard  E.  X‐chromosome  inactivation:  counting,  choice  and  initiation.  Nature reviews Genetics. 2001;2:59‐67.   8    Pullirsch  D,  Hartel  R,  Kishimoto  H  et  al.  The  Trithorax  group  protein  Ash2l  and  Saf‐A  are recruited to the inactive X chromosome at 

www.StemCells.com 

ACKNOWLEDGMENTS    We are grateful to our colleagues in the laboratory for  their assistance with the experiments and in the prepa‐ ration of this manuscript. We are also grateful to Jiayu  Chen for some primers and Kai Miao for instruction on  Xist RNA FISH. This project was supported by the Minis‐ try  of  Science  and  Technology  (Grants  2010CB944900  and  2012CBA01308)  and  the  National  Natural  Science  Foundation of China (31325019 and 91319306).     DISCLOSURE OF POTENTIAL CONFLICTS OF INTEREST    The authors have no potential conflicts of interest.    

AUTHOR CONTRIBUTIONS    Q.C.: conception and design, collection and/or assembly  of the data, data analysis and interpretation, and manu‐ script  writing;  S.G.,  W.H.,  X.K.,  Y.Z.,  H.W.:  provision  of  study  material  and  collection  and/or  assembly  of  the  data;  S.G.:  conception  and  design,  financial  support,  data  analysis  and  interpretation,  manuscript  writing,  and final approval of the manuscript.    

the  onset  of  stable  X  inactivation.  Development. 2010;137:935‐943.   9    Csankovszki  G,  Nagy  A,  Jaenisch  R.  Synergism of Xist RNA, DNA methylation, and  histone  hypoacetylation  in  maintaining  X  chromosome inactivation. The Journal of cell  biology. 2001;153:773‐784.   10  Diaz‐Perez SV, Ferguson DO, Wang C et  al. A deletion at the mouse Xist gene exposes  trans‐effects  that  alter  the  heterochromatin  of  the  inactive  X  chromosome  and  the  replication  time  and  DNA  stability  of  both  X  chromosomes.  Genetics.  2006;174:1115‐ 1133.   11    Boumil  RM,  Lee  JT.  Forty  years  of  decoding  the  silence  in  X‐chromosome  inactivation.  Human  molecular  genetics.  2001;10:2225‐2232.   12    Zhang  LF,  Huynh  KD,  Lee  JT.  Perinucleolar  targeting  of  the  inactive  X  during  S  phase:  evidence  for  a  role  in  the  maintenance of silencing. Cell. 2007;129:693‐ 706.   13  Csankovszki G, Panning B, Bates B et al.  Conditional  deletion  of  Xist  disrupts  histone  macroH2A  localization  but  not  maintenance  of  X  inactivation.  Nature  genetics.  1999;22:323‐324.   14    Costanzi  C,  Stein  P,  Worrad  DM  et  al.  Histone  macroH2A1  is  concentrated  in  the  inactive  X  chromosome  of  female  preimplantation  mouse  embryos.  Development. 2000;127:2283‐2289.   15    Chadwick  BP,  Willard  HF.  Cell  cycle‐ dependent  localization  of  macroH2A  in  chromatin of the inactive X chromosome. The  Journal of cell biology. 2002;157:1113‐1123.  

16    Pasque  V,  Gillich  A,  Garrett  N  et  al.  Histone  variant  macroH2A  confers  resistance  to  nuclear  reprogramming.  The  EMBO  journal. 2011;30:2373‐2387.   17  Pasque V, Halley‐Stott RP, Gillich A et al.  Epigenetic  stability  of  repressed  states  involving  the  histone  variant  macroH2A  revealed  by  nuclear  transfer  to  Xenopus  oocytes. Nucleus. 2011;2:533‐539.   18  Gao Y, Chen J, Li K et al. Replacement of  Oct4 by Tet1 during iPSC induction reveals an  important  role  of  DNA  methylation  and  hydroxymethylation  in  reprogramming.  Cell  stem cell. 2013;12:453‐469.   19    Costa  Y,  Ding  J,  Theunissen  TW  et  al.  NANOG‐dependent function of TET1 and TET2  in  establishment  of  pluripotency.  Nature.  2013;495:370‐374.   20  Bagci H, Fisher AG. DNA demethylation  in  pluripotency  and  reprogramming:  the  role  of tet proteins and cell division. Cell stem cell.  2013;13:265‐269.   21  Eggan K, Akutsu H, Hochedlinger K et al.  X‐Chromosome  inactivation  in  cloned  mouse  embryos. Science. 2000;290:1578‐1581.   22    Bao  S,  Miyoshi  N,  Okamoto  I  et  al.  Initiation of epigenetic reprogramming of the  X chromosome in somatic nuclei transplanted  to  a  mouse  oocyte.  EMBO  reports.  2005;6:748‐754.   23   Humpherys  D, Eggan  K,  Akutsu H  et  al.  Epigenetic  instability  in  ES  cells  and  cloned  mice. Science. 2001;293:95‐97.   24    Nolen  LD,  Gao  S,  Han  Z  et  al.  X  chromosome  reactivation  and  regulation  in  cloned  embryos.  Developmental  biology.  2005;279:525‐540.  

©AlphaMed Press 2014 

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition 

9  25  Mak W, Nesterova TB, de Napoles M et  al.  Reactivation  of  the  paternal  X  chromosome  in  early  mouse  embryos.  Science. 2004;303:666‐669.   26    Okamoto  I,  Otte  AP,  Allis  CD  et  al.  Epigenetic  dynamics  of  imprinted  X  inactivation during early mouse development.  Science. 2004;303:644‐649.   27    Maherali  N,  Sridharan  R,  Xie  W  et  al.  Directly  reprogrammed  fibroblasts  show  global epigenetic remodeling and widespread  tissue contribution. Cell stem cell. 2007;1:55‐ 70.   28    Kim  DH,  Jeon  Y,  Anguera  MC  et  al.  X‐ chromosome  epigenetic  reprogramming  in  pluripotent  stem  cells  via  noncoding  genes.  Seminars  in  cell  &  developmental  biology.  2011;22:336‐342.   29    Plath  K,  Mlynarczyk‐Evans  S,  Nusinow  DA  et  al.  Xist  RNA  and  the  mechanism  of  X  chromosome  inactivation.  Annual  review  of  genetics. 2002;36:233‐278.   30    Plath  K,  Lowry  WE.  Progress  in  understanding reprogramming to the induced  pluripotent  state.  Nature  reviews  Genetics.  2011;12:253‐265.   31    Ohhata  T,  Wutz  A.  Reactivation  of  the  inactive  X  chromosome  in  development  and  reprogramming.  Cellular  and  molecular  life  sciences : CMLS. 2013;70:2443‐2461.   32    Han  DW,  Greber  B,  Wu  G  et  al.  Direct  reprogramming  of  fibroblasts  into  epiblast   

stem  cells.  Nature  cell  biology.  2011;13:66‐ 71.   33    Stadtfeld  M,  Maherali  N,  Breault  DT  et  al.  Defining  molecular  cornerstones  during  fibroblast  to  iPS  cell  reprogramming  in  mouse. Cell stem cell. 2008;2:230‐240.   34    Mansour  AA,  Gafni  O,  Weinberger  L  et  al.  The  H3K27  demethylase  Utx  regulates  somatic  and  germ  cell  epigenetic  reprogramming. Nature. 2012;488:409‐413.   35  Pasque V, Radzisheuskaya A, Gillich A et  al.  Histone  variant  macroH2A  marks  embryonic  differentiation  in  vivo  and  acts  as  an epigenetic barrier to induced pluripotency.  Journal of cell science. 2012;125:6094‐6104.   36    Boiani  M,  Eckardt  S,  Scholer  HR  et  al.  Oct4  distribution  and  level  in  mouse  clones:  consequences  for  pluripotency.  Genes  &  development. 2002;16:1209‐1219.   37  Kang L, Wang  J, Zhang Y  et  al. iPS cells  can  support  full‐term  development  of  tetraploid  blastocyst‐complemented  embryos. Cell stem cell. 2009;5:135‐138.   38    Brambrink  T,  Foreman  R,  Welstead  GG  et  al.  Sequential  expression  of  pluripotency  markers  during  direct  reprogramming  of  mouse  somatic  cells.  Cell  stem  cell.  2008;2:151‐159.   39    Jiao  J,  Dang  Y,  Yang  Y  et  al.  Promoting  reprogramming  by  FGF2  reveals  that  the  extracellular  matrix  is  a  barrier  for 

reprogramming  fibroblasts  to  pluripotency.  Stem cells. 2013;31:729‐740.   40    Samavarchi‐Tehrani  P,  Golipour  A,  David  L  et  al.  Functional  genomics  reveals  a  BMP‐driven  mesenchymal‐to‐epithelial  transition  in  the  initiation  of  somatic  cell  reprogramming. Cell stem cell. 2010;7:64‐77.   41  Li R, Liang J, Ni S et al. A mesenchymal‐ to‐epithelial  transition  initiates  and  is  required  for  the  nuclear  reprogramming  of  mouse  fibroblasts.  Cell  stem  cell.  2010;7:51‐ 63.   42  Tesar PJ, Chenoweth JG, Brook FA et al.  New  cell  lines  from  mouse  epiblast  share  defining  features  with  human  embryonic  stem cells. Nature. 2007;448:196‐199.   43  Brons IG, Smithers LE, Trotter MW et al.  Derivation  of  pluripotent  epiblast  stem  cells  from  mammalian  embryos.  Nature.  2007;448:191‐195.   44  Dejosez M, Zwaka TP. Pluripotency and  nuclear  reprogramming.  Annual  review  of  biochemistry. 2012;81:737‐765.   45    Silva  J,  Barrandon  O,  Nichols  J  et  al.  Promotion of reprogramming to ground state  pluripotency  by  signal  inhibition.  PLoS  biology. 2008;6:e253.   46    Gurdon  JB.  From  nuclear  transfer  to  nuclear  reprogramming:  the  reversal  of  cell  differentiation.  Annual  review  of  cell  and  developmental biology. 2006;22:1‐22.  

See www.StemCells.com for supporting information available online. STEM  CELLS ; 00:000–000   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

10

Xist repression promotes pre‐iPSCs to iPSCs transition 

Figure 1. Time‐dependent effects of Xist repression on female somatic cells reprogramming.   A. The number of Alkaline  phosphatase (AP)‐positive  colonies achieved in the female or male  mouse embryonic fi‐ broblasts  (MEF)  induced with  Oct4/Sox2/Klf4/cMyc (OSKM)  and Xist shRNA  compared  to  the empty‐pSicoR‐treated  control group and the mock‐treated group, collected at day 15. The number of initially plated fibroblasts was 50000  per well in a six‐well plate.   B. AP staining results and fluorescence images of Oct4‐GFP‐positive colonies derived from MEFs that were induced  with OSKM and Xist shRNA compared to the empty‐pSicoR‐treated control (Ctrl) group, collected at day 15. Scale bars  represent 100 μm.   C. The relative number of AP‐positive colonies obtained following IPTG treatment on different days during OSKM in‐ duction, collected at day 18. Female MEFs were infected with pFUW‐tetO‐Oct4, Sox2, Klf4 and c‐Myc (TetO‐OSKM)  and IPTG‐inducible Xist shRNA viruses (Green) or non‐target‐shRNA viruses (Red). ‘No IPTG’ stands for MEFs infected  but never treated with IPTG.   D. The Xist shRNA treated part in (C). Ctrl stands for MEFs never treated with IPTG. An asterisk above a column indi‐ cates a significant difference between this data point and Ctrl.   E. The non‐target shRNA treated part in (C). Ctrl stands for MEFs never treated with IPTG.   F. AP staining results representative for (C).   The  data  shown  represent  three  independent  replicates.  The  statistical  tests  used  are  t‐test,  error  bars  stand  for  standard deviation. * indicates p value

Xist repression shows time-dependent effects on the reprogramming of female somatic cells to induced pluripotent stem cells.

Although the reactivation of silenced X chromosomes has been observed as part of the process of reprogramming female somatic cells into induced plurip...
7MB Sizes 0 Downloads 4 Views