Transposable Elements and Human Pluripotency

Abstract

Ancient, transposable element (TE) - derived sequences, occupying around 60% of the human genome were considered as functionless junk until very recently. Curiously, TE-derived sequences could gain novel cellular functions in evolutionary time. Importantly, TEs, as natural gene delivery tools can be developed for many applications in translational research, including generating induced pluripotent stem cells (iPSCs). Derivation of pluripotent stem cells (PSCs) from embryos or somatic cells using transcription factor- mediated reprogramming strategies holds the promise in regenerative medicine. Deciphering the process of cell fate decision of human PSCs (hPSCs) will facilitate to optimize protocols of maintaining and differentiating these cells. Curiously, regardless of their ability to transpose, TE-derived sequences are activated during embryogenesis. To explore if TE-derived sequences have any role during the early steps of development, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) were generated from human foreskin fibroblasts, using the cutting-of-edge Sleeping Beauty TE-based reprogramming system. Using hiPSCs as the platform, I employed the RNA-seq technique to perform genome-wide transcription profiling of hiPSCs, intermediately differentiated cells (embryoid bodies) and their parental somatic cells (fibroblasts). By comparative analysis of their transcriptome, I observed that an ancient, primate-specific endogenous retrovirus family, HERVH was highly expressed in hPSCs. By means of ChIP-seq, gain/loss-of-function assays, I revealed that a set of core pluripotency regulators, OCT4, NANOG, KLF4 and LBP9 modulate HERVH expression in hPSCs. The expression of HERVH contributes to several novel primate-specific transcripts, including lncRNAs and chimeric gene products, with the potential of modulating pluripotency. Depletion of HERVH-derived transcription compromises self-renewal of hPSCs, while its induction promotes pluripotency from somatic cells. Using a HERVH-based reporter system, I have observed that a sub-population of conventional hPSCs shares some of the key features with naïve mouse embryonic stem cells and the human inner cell mass. Importantly, recruited to the regulatory circuitry of primate pluripotency, the HERVH-derived transcription redefines pluripotency, as being species specific. My work contributes to decipher unexpected roles of ancient TEs in fate decision of PSCs.

Bis vor kurzem wurden die abgeleiteten Sequenzen der alten, transposablen Elemente (TE), welche rund 60% des menschlichen Genoms ausmachen, als funktionsloser Schrott betrachtet. Seltsamerweise konnten TE-abgeleitete Sequenzen während der Evolution neuartige, zelluläre Funktionen erwerben. Wichtig ist, dass TEs als natürliches Gen-Übertragungswerkzeug für viele Anwendungen in der translationalen Forschung entwickelt werden können, einschließlich der Erzeugung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS- Zellen). Die Herstellung pluripotenter Stammzellen (PSCs) aus Embryonen oder somatischen Zellen mit Hilfe transkriptionsfaktor-vermittelten Re- programmierungs-Strategien ist vielversprechend für die regenerative Medizin. Die Entschlüsselung des Zellschicksals der menschlichen PSCs (hPSCs) wird es ermöglichen, Protokolle für die Aufrechterhaltung und Differenzierung dieser Zellen zu optimieren. Merkwürdigerweise werden TE-abgeleitete Sequenzen, unabhängig von ihrer Fähigkeit zu transponieren, während der Embryogenese aktiviert. Um zu untersuchen, ob TE-abgeleitete Sequenzen eine Rolle in den frühen Stufen der Entwicklung haben, wurden menschliche, induzierte, pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) aus menschlichen Vorhaut-Fibroblasten unter Verwendung der Spitzentechnik des Sleeping Beauty TE-basierten Reprogrammierungsystems erzeugt. Mit hiPS als Plattform, nutzte ich die RNA- Sequenzierungstechnik, um genomweite Transkriptionsprofilierung von iPS- Zellen, intermediär differenzierten Zellen (embryonale Körperchen) und deren parentale somatische Zellen (Fibroblasten) durchzuführen. Durch vergleichende Analyse der Transkriptome beobachtete ich, dass eine alte, primaten- spezifische, endogene Retrovirus-Familie, HERVH, stark in hPSCs exprimiert war. Mittels ChIP-seq, „gain/loss-of-function-Assays“ konnte ich aufzeigen, dass eine Reihe von Kern-Pluripotenz-Regulatoren (OCT4, NANOG, Klf4 und LBP9) die HERVH-Expression in hPSCs modulieren. Die Expression von HERVH steuert mehrere neuartige primaten-spezifische Transkripte bei, einschließlich lncRNAs und chimäre Genprodukte, welche das Potential zur Modulation der Pluripotenz haben. Die Verminderung HERVH-abgeleiteter Transkription beeinträchtigt die Selbsterneuerung von hPSCs, während die Induktion die Pluripotenz der Körperzellen fördert. Mit Hilfe eines HERVH-basierten Reportersystems habe ich festgestellt, dass eine Subpopulation von konventionellen hPSCs einige der wichtigsten Merkmale mit naïven, embryonalen Stammzellen der Maus und des menschlichen Embryoblasten gemeinsam hat. Wichtig ist, einhergehend mit den regulatorischen Kreisläufen der Primaten-Pluripotenz, dass die HERVH- abgeleitete Transkription die Pluripotenz als artspezifisch neu definiert. Meine Arbeit trägt dazu bei, unerwartete Funktionen der alten TEs in Bezug auf das Zellschicksal der PSCs zu entschlüsseln.