EMBRYONIC STEM CELLS/INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS   

1

Key Laboratory of Gene Engineering of  the  Ministry  of  Education,  Institute  of  Healthy Aging Research and SYSU‐BCM  Joint  Research  Center,  School  of  Life  Sciences,  Sun  Yat‐sen  University,  Guangzhou,  510275,  China;  2Key  La‐ boratory  of  Reproductive  Medicine  of  Guangdong  Province,  School  of  Life  Sciences and the First  Affiliated  Hospi‐ tal, Sun Yat‐sen University, Guangzhou,  510275,  China;  3Verna  and  Marrs  McLean  Department  of  Biochemistry  and  Molecular  Biology,  Baylor  College  of  Medicine,  One  Baylor  Plaza,  Hou‐ 4 ston,  Texas  77030,  USA;  Guangdong  Gastroenterology  Institute,  Depart‐ ment  of  Gastrointestinal  Surgery,  The  Sixth  Affiliated  Hospital  of  Sun Yat‐sen  University,  China;  5Department  of  Urology,  The  First  People's  Hospital  Affiliated  to  Guangzhou  Medical  Uni‐ 6 versity;  International Peace Maternity  and  Child  Health  Hospital,  School  of  Medicine, Shanghai Jiao Tong Universi‐ ty,  Shanghai  200030,  China;  7 Department of Molecular and Cellular  Biology,  Baylor  College  of  Medicine,  Houston, Texas 77030,USA.    *Correspondence should be addressed  to  :  Junjiu  Huang,  Key  Laboratory  of  Gene  Engineering  of  the  Ministry  of  Education,  Institute  of  Healthy  Aging  Research  and  SYSU‐BCM  Joint  Re‐ search  Center,  School  of  Life  Sciences,  Sun  Yat‐sen  University,  Guangzhou,  510275,  China,  E‐mail:    J.  H.  (e‐ mail: [email protected])  and  Z.  S.  (e‐mail:[email protected]).    Received  November  17,  2014;  accept‐ ed  for  publication  February  18,  2015;  available  online  without  subscription  through the open access option.    ©AlphaMed Press   1066‐5099/2015/$30.00/0    This article has been accepted for pub‐ lication and undergone full peer review  but has not been through the copyedit‐ ing,  typesetting,  pagination  and  proof‐ reading  process  which  may  lead  to  differences  between  this  version  and  the  Version  of  Record.  Please  cite  this  article as doi:  10.1002/stem.2000 

Actl6a Protects Embryonic Stem Cells from Dif‐ ferentiating into Primitive Endoderm    WEISI LU1,2,3, LEKUN FANG4, BIN OUYANG5, XIYA ZHANG1,2, SHAOQUAN  ZHAN1,2, XUYANG FENG1,2, YAOFU BAI1,2, XIN HAN1,2, HYEUNG  KIM3, QUANYUAN HE3, MA WAN3, FENG‐TAO SHI6, XIN‐HUA  FENG7, DAN LIU3, JUNJIU HUANG1,2,*, ZHOU SONGYANG1,2,*    Key words. Actl6a  embryonic stem cells  self‐renewal  primitive endo‐ derm  Tip60‐p400 complex    ABSTRACT    Actl6a  (actin‐like  protein  6A,  also  known  as  Baf53a  or  Arp4)  is  a  subunit  shared  by  multiple  complexes  including  esBAF,  INO80,  and  Tip60‐p400,  whose  main  components  (Brg1,  Ino80,  and  p400  respectively)  are  crucial  for the maintenance of embryonic stem cells (ESCs). However, whether and  how  Actl6a  functions  in  ESCs  has  not  been  investigated.  ESCs  originate  from  the  epiblast  (EPI)  that  is  derived  from  the  inner  cell  mass  (ICM)  in  blastocysts, which also give rise to primitive endoderm (PrE). The molecu‐ lar mechanisms for EPI/PrE specification remain unclear. In this report, we  provide the first evidence that Actl6a can protect mouse ESCs (mESCs) from  differentiating into PrE. While RNAi knockdown of Actl6a, which appeared  highly  expressed  in  mESCs  and  downregulated  during  differentiation,  in‐ duced  mESCs  to  differentiate  towards  the  PrE  lineage, ectopic  expression  of  Actl6a  was  able  to  repress  PrE  differentiation.  Our  work  also  revealed  that Actl6a could interact with Nanog and Sox2, and promote Nanog bind‐ ing to pluripotency genes such as Oct4 and Sox2. Interestingly, cells deplet‐ ed of p400, but not of Brg1 or Ino80, displayed similar PrE differentiation  patterns. And mutant Actl6a with impaired ability to bind Tip60 and p400  failed  to  block  PrE  differentiation  induced  by  Actl6a  dysfunction.  Finally,  we showed that Actl6a could target to the promoters of key PrE regulators  (e.g., Sall4 and Fgf4), repressing their expression and inhibiting PrE differ‐ entiation. Our findings uncover a novel function of Actl6a in mESCs, where  it acts as a gatekeeper to prevent mESCs from entering into the PrE lineage  through a Yin/Yang regulating pattern. STEM CELLS 2014; 00:000–000 

    STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

 

2   

INTRODUCTION    Cells  from  the  inner  cell  mass  (ICM)  can  differentiate  into either epiblast (EPI) or primitive endoderm (PrE) in  blastocyst  stage,  with  EPI  giving  rise  to  all  three  germ  layers and PrE developing into the visceral (VE) and pa‐ rietal (PE) endoderm [1, 2]. PrE facilitates EPI patterning  and gives rise to the yolk sac that provides nutrient ex‐ change  for  the  developing  embryo  [3].  Derived  from  EPI,  embryonic  stem  cells  (ESCs)  can  propagate  indefi‐ nitely (self‐renewal) and differentiate into all embryonic  lineages (pluripotency), processes that are governed by  the  regulatory  network  anchored  by  core  transcription  factors  including  Nanog,  Oct4,  and  Sox2  [4‐6].  These  factors  co‐occupy  and  repress  a  significant  portion  of  developmental  genes,  forming  feed‐forward  loops  to  maintain  ESCs  [7].  For  example,  Nanog  could  maintain  mESC  self‐renewal  in  the  absence  of  LIF  and  Nanog−/− embryos  failed  to  generate  viable  epiblasts,  suggesting  that  Nanog  is  essential  for  both  mESC  maintenance and ICM development [8, 9].  Nanog  and  Gata6,  the  markers  for  EPI  and  PrE,  re‐ spectively, are coexpressed in all ICM cells at the early  blastocyst stage, and become mutually exclusive during  embryo development [10]. Therefore, the ICM contains  Nanog‐expressing EPI progenitors and Gata6‐expressing  PrE  progenitors  [11].  After  the  segregation  of  EPI  and  PrE  is  complete,  PrE  progenitors  activate  more  PrE‐ related genes such as Gata4, Sox17, Sox7, Pdgfra, which  contribute  to  PrE  stabilization  [12].  Currently,  Nanog,  Gata6, Sall4, and FGF signaling are most well character‐ ized  factors  for  EPI/PrE  segregation.  Nanog‐/‐  mESCs  differentiated into PrE‐like cells, whereas all ICM cells in  Gata6‐/‐ embryos adopted an EPI fate [13, 14]. Sall4 was  shown to regulate mESCs by co‐occupying multiple tar‐ get genes with Nanog/Oct4/Sox2, and maintain the PrE‐ derived  extraembryonic  endoderm  (XEN)  cells  by  con‐ trolling  PrE‐associated  genes  such  as  Gata6,  Gata4,  Sox17,  and  Sox7  [15].  Deletion  of  FGF  signaling  genes  such as Fgf4 and Fgfr2 in mouse embryos abrogated PrE  formation  [16,  17].  Conversely,  addition  of  exogenous  Fgf4  could  convert  ICM  cells  to  Gata6‐expressing  PrE  progenitors  [18].  Notably,  a  recent  study  showed  that  exogenous FGF4 could not rescue the PrE progenitors in  Gata6  null  mutant  embryos,  suggesting  that  Gata6  is  likely to act at the top of the networks in PrE specifica‐ tion[19]. Therefore,  how  the  coordinated  action  of  dif‐ ferent factors helps to determine EPI/PrE entry remains  to be established.  In  our  study  of  potential  regulators  for  mESC  maintenance  and  PrE  differentiation,  we  identified  Actl6a, an actin‐related protein also known as Baf53a or  Arp4, as a novel player in maintaining the undifferenti‐ ated  state  of  mESCs.  Actl6a  is  a  subunit  in  the  esBAF  (Brg1), INO80 (Ino80), and Tip60‐p400 (p400) complex‐ es,  which  have  been  implicated  in  mESC  maintenance.  For instance, Brg1 can promote STAT3 binding to main‐ tain  pluripotency,  Ino80  facilitates  pluripotent  gene  www.StemCells.com 

activation,  and  p400  depleted  cells  exhibited  gene  ex‐ pression profiles that significantly overlapped with that  of Nanog [20‐22]. Recent studies suggest that Actl6a is  necessary  for  the  maintenance  of  several  adult  stem  cells: the neuronal progenitor BAF complex, which con‐ tains Actl6a, is essential for the self‐renewal capacity of  neural  stem  cells;  conditional  knockout  of  Actl6a  re‐ vealed its importance for maintaining adult hematopoi‐ etic  stem  cells;  Actl6a  could  repress  Klf4  induction  to  enforce the epidermal progenitor state [23‐25]. In addi‐ tion, homozygous deletion of Actl6a proved embryonic  lethal at day E6.5 [24]. However, the precise function of  Actl6a in mESCs and in cell fate decisions remains to be  elucidated.  Our  findings  indicate  that  Actl6a  could  on  one hand regulate mESCs self‐renewal through working  with  Nanog  and  Sox2,  and  on  the  other  prevent  ESCs  from  differentiating  into  PrE  by  repressing  Sall4  and  Fgf4, a process likely achieved through the action of the  Tip60‐p400 complex.   

RESULTS    Actl6a knockdown led to differentiation of  mESCs to the PrE lineage  Actl6a  appears  to  exhibit  the  highest  mRNA  level  in  mESC  lines  based  on  BioGPS  data  (Supporting  infor‐ mation  Fig.  S1A)  (http://biogps.org/#goto=genereport&id=56456).  To  further  examine  Actl6a  expression,  we  monitored  Actl6a protein levels in mESCs following three different  conditions  for  differentiation  induction  (Supporting  in‐ formation Fig. S1B). As expected, Nanog protein expres‐ sion was downregulated in all three cases. And a similar  reduction was also apparent for Actl6a, suggesting pos‐ sible ESC‐specific function for Actl6a.  To gain  insight  into  the  function  of  Actl6a,  we  gen‐ erated  mESCs  transiently  knocked  down  for  Actl6a.  All  three  siRNA  oligos  were  able  to  effectively  reduce  Actl6a levels (>80%) (Fig.1A). Actl6a knockdown induced  cell  differentiation  including  flattened  cell  morphology  and  weaker  alkaline  phosphatase  (AP)  activities,  with‐ out affecting cell viability (Fig. 1B and Supporting infor‐ mation  Fig.  S1C‐D).  Further  analyses  by  western  blot,  qRT‐PCR, and immunostaining revealed a corresponding  decrease  in  the  expression  of  key  pluripotency  factors  including Nanog, Oct4, Sox2, Klf4, Tbx3, and Esrrb (Fig.  1A  and  Supporting  information  Fig.  S1D‐E).  These  ob‐ servations  suggested  that  Actl6a  depletion  in  mESCs  could  trigger  cell  differentiation.  Indeed,  when  we  ex‐ amined  the  expression  of  various  lineage  markers  in  Actl6a  knockdown  cells  (Fig.  1C),  we  observed  the  strongest  induction  in  endoderm  markers  (Foxa2,  Sox17),  followed  by  ectoderm  (Mash1)  and  mesoderm  (Brachyury)  markers,  while  ectoderm  (Nestin),  meso‐ derm  (Goosecoid),  and  trophectoderm  (Hand1  and  Eomes) markers showed little or no induction (Fig.1C). 

©AlphaMed Press 2014 

 

3  Foxa2  and  Sox17  are  crucial  regulators  for  endo‐ derm  development  [26,  27],  and  appear  highly  ex‐ pressed  in  primitive  endoderm  (PrE)  as  well  [28,  29].  Therefore,  we  tested  whether  Actl6a  depletion  could  lead  to  upregulation  of  other  PrE‐associated  genes.  In‐ deed, qRT‐PCR results confirmed that the expression of  most of the PrE markers examined (Gata6, Gata4, Sox7,  Hnf4a, and Pdgfra) was dramatically upregulated (~30‐ 140  fold)  in  Actl6a‐depleted  cells  compared  to  control  siRNA‐treated cells (Fig. 1D). Next, we carried out a 12‐ day embryoid body (EB) formation assay to recapitulate  early  mouse  embryo  development  using  cells  depleted  of  Actl6a.  Notably,  cysts  started  to  appear  in  siActl6a  EBs at day 8 and continued to grow (Fig.1E). Cystic EBs  have  a  typical  PrE‐like  morphology  and  contain  a  mix‐ ture of PrE‐derived visceral endoderm (VE) and parietal  endoderm  (PE)  cells  [30,  31]. When  we  analyzed these  siActl6a EBs by qRT‐PCR, we found higher expression of  key PrE markers (Gata6, Gata4, Sox7, and Pdgfra), while  the  expression  patterns  of  other  lineage  markers  re‐ mained similar to control EBs (Fig. 1F). Furthermore, we  observed  higher  Actl6a  protein  levels  in  mESCs  com‐ pared  to  PrE‐derived  extraembryonic  endoderm  cells  (XEN)  or  mouse  embryonic  fibroblasts  (MEF)  (Support‐ ing  information  Fig.S1F).  Taken  together,  these  data  support  the  notion  that  Actl6a  inhibition  can  lead  mESCs to differentiate into the PrE lineage.   

Forced Actl6a expression can prevent mESCs  from differentiating into PrE  Given  that  Actl6a  inhibition  induced  PrE  specification,  we  speculated  that  restoring  Actl6a  expression  should  block this process. To test this idea, we generated mESC  lines  that  could  be  induced  to  express  HA‐Flag  tagged  Actl6a (Actl6a‐HF) at  levels  comparable to  endogenous  Actl6a  (Fig.  2A‐B). We  confirmed  that  the  morphology,  AP  activity,  and  expression  profiles  of  lineage  markers  of the inducible Actl6a‐HF cells were similar to parental  mESCs  (Supporting  information  Fig.  S2A‐B).  These  cells  were  then  cultured  in  suspension  without  LIF  for  six  days  to  allow  EB  formation.  A  portion  of  the  EBs  were  then  harvested  for  gene  expression  analysis;  the  re‐ maining  EBs  were  transferred  to  gelatin‐coated  dishes  for  an  additional  day  of  culture  to  determine  the  per‐ centages  of  differentiated  vs.  undifferentiated  EBs  (based  on  the  migration  of  PrE  cells  from  EBs)  [32].  Without doxycycline (‐Dox), PrE cells became scattered  following attachment and spread into a ring of epithelial  cells,  with  strong  staining  of  the  PrE  marker  Gata4  in  cells that had migrated away from EBs (Fig.2D‐E). With  doxycycline  (+Dox),  cells  were  less  dispersed,  and  the  few  cells  that  had  migrated  away  from  the  periphery  exhibited  weak  Gata4  staining  (Fig.  2D‐E).  In  addition,  Actl6a  overexpression  in  the  presence  of  doxycyline  also  repressed  PrE  markers  expression,  whereas  the  expression  of  other  lineage  markers  was  either  similar  to or higher than that in untreated EBs (‐Dox) (Fig. 2F).  To  further  validate  our  results,  two  additional  Actl6a‐HF  clones  (No.2  and  No.3)  were  similarly  ana‐ www.StemCells.com 

lyzed (Supporting information, Figure S2C‐E). Again, EBs  derived from these cells were defective in PrE differen‐ tiation  (Supporting  information,  Figure  S2F‐H),  indicat‐ ing  that  maintaining  Actl6a  expression  is  sufficient  to  block mESC entry into the PrE lineage.   

Actl6a works with Nanog for mESC self‐ renewal maintenance  Our  data  indicate  downregulated  Nanog  expression  with  prolonged  Actl6a  inhibition  (Fig.1A,  Supporting  information  Fig.S1D).  Given  that  Nanog  depletion  is  sufficient  to  induce  ESCs  to  differentiate  into  PrE  [33],  we  speculated  that  Actl6a  might  work  in  concert  with  Nanog in mESCs. We tested this idea by first examining  whether  these  two  proteins  could  interact  with  each  other  through  co‐immunoprecipitation  experiments  using our inducible Actl6a‐HF cells. As shown in Fig. 3A,  Actl6a‐HF  was  able  to  bring  down  endogenous  Nanog.  In addition, Actl6a could also interact with Sox2, but not  Oct4 (Fig. 3A). When we knocked down Actl6a in mESCs  stably  expressing  HA‐Flag  tagged  Nanog,  ectopic  ex‐ pression of Nanog could rescue the differentiation phe‐ notypes  caused by Actl6a  depletion (Fig.  3B‐D).  To  fur‐ ther probe the interaction between Actl6a and Nanog in  ESCs, we examined the effect of Actl6a depletion on the  recruitment of endogenous Nanog to its binding targets  [34].  Nanog  expression  remained  fairly  steady  with  transient  Actl6a  knockdown  (two  days)  (Fig.  3E,  left),  allowing  us  to  carry  out  ChIP‐qPCR  assays  using  anti‐ Nanog  antibodies  to  assess  Nanog  occupancy.  We  found that Actl6a depletion significantly reduced locali‐ zation  of  Nanog  to  its  target  genes,  including  Nanog  itself  and  other  pluripotency  factors  Sox2,  Oct4,  and  Jarid2 (Fig. 3E, right). Collectively, these results indicate  that Actl6a works with Nanog in maintaining mESC self‐ renewal  and  promoting  Nanog  binding  to  its  targeting  genes.   

Actl6a functions as a subunit of the Tip60‐ p400 complex in blocking ESCs differentiation  Although the Tip60‐p400, esBAF, and INO80 complexes  to  which  Actl6a  belongs  are  important  regulators  for  ESCs  [20,  21,  35],  whether  and  how  they  function  in  lineage  specification  is  still  poorly  understood.  We  therefore  set  out  to  examine  the  effects  of  inhibiting  the  main  subunit  of  each  complex,  p400  (Tip60‐p400),  Brg1  (esBAF),  and  Ino80  (INO80).  Knocking  down  each  of the three genes was sufficient to induce altered cell  morphology  (Supporting  information,  Fig.S3A‐B)  and  decreased  expression  of  pluripotency  markers  Nanog  and Oct4 (data not shown) compared with control cells.  However, only inhibition of p400, but not Brg1 or Ino80,  significantly  increased  the  expression  of  a  number  of  key  PrE  markers  (e.g.,  Gata6,  Gata4,  Sox7,  Hnf4a,  and  Pdgfra)  and  gave  rise  to  cystic  EBs  (Supporting  infor‐ mation,  Fig.  S3C‐E).  These  observations  implicate  the  Tip60‐p400  complex  in  the  prevention  process  of  PrE  differentiation.  ©AlphaMed Press 2014 

4  Previous studies have shown that actin‐related pro‐ teins (ARPs) can bind directly to the HSA domain of sev‐ eral  ATPases  [36],  and  that  the  M3  mutant  of  human  ACTL6A (E388A/R389A/R390A) was impaired in its abil‐ ity to bind TIP60 [37]. We therefore compared the abili‐ ties  of  wild‐type  and  mutant  Actl6a  to  interact  with  Tip60 and the HSA domain of p400 (Fig. 4A). We found  that  wild‐type  Actl6a  could  co‐precipitate  with  Tip60  and p400 HSA, while the M3 mutant was deficient in its  interaction with both proteins (Fig. 4B‐C). We then gen‐ erated  cells  stably  expressing  RNAi‐resistant  wild‐type  or  M3  mutant  Actl6a  and  introduced  Actl6a  siRNA  oli‐ gos into these cells (Supporting information, Fig.S3F). As  expected,  ectopic  expression  of  wild‐type  Actl6a  was  able to restore the morphology, AP activities, as well as  pluripotency factors expression in siActl6a treated cells  (Fig.4D,  supporting  information,  Fig.  S3G).  In  contrast,  siAclt6a‐treated  cells  that  expressed  the  M3  mutant  continued  to  display  weak  AP  staining  and  marker  ex‐ pression  patterns  similar  to  control  cells  (Fig.4D,  sup‐ porting  information,  Fig.  S3G).  We  further  compared  the  activity  of  wild‐type  and  mutant  Actl6a  in  EB  for‐ mation assays as described in Fig.2D. Following attach‐ ment  on  gelatin‐coated  plates,  ~80%  of  EBs  derived  from the GFP‐expressing control cells and nearly 65% of  EBs  derived  from  Actl6a  M3  mutant  expressing  cells  were  differentiated;  in  comparison,  only  35%  of  wild‐ type  Actl6a  expressing  EBs  had  differentiated  (Fig.  4E).  These  results  combined  underline  the  importance  of  Actl6a  interaction  with  Tip60  and  p400  in  Actl6a‐ mediated maintenance of mESC pluripotency.   

Actl6a prevents PrE differentiation through  repressing Sall4 and Fgf4  How  does  Actl6a  work  to  prevent  PrE  differentiation?  Given that Sall4 and Fgf4 are essential for PrE develop‐ ment [18, 38], we speculated that Actl6a might regulate  PrE  differentiation  through  targeting  these  two  genes  and  therefore  performed  ChIP‐qPCR  using  antibodies  against  endogenous  Actl6a  in  mESCs.  As  shown  in  Fig.  5A,  enrichment  of  Actl6a  on  both  Sall4  and  Fgf4  pro‐ moter  regions  was  apparent.  Notably,  Actl6a  bound  to  both  the  proximal  and  distal  regions  of  the  Sall4  pro‐ moter  (Fig.  5A,  left  panel).  Knocking  down  Actl6a  in  mESCs led to induction of both Sall4 and Fgf4, whereas  knockdown  of  Sall4  or  Fgf4  had  little  effect  on  Actl6a  expression  (Fig. 5B, C).  To  better  understand the  path‐ ways  mediated  by  Actl6a,  we  assessed  the  impact  of  Sall4 and Fgf4 reduction on  mESCs already depleted of  Actl6a.  As  expected  (Fig.  1D),  Aclt6a  knockdown  alone  resulted in an increase in PrE markers expression. How‐ ever,  this  induction  was  abolished  when  Sall4  or  Fgf4  was  also  depleted  (Fig.  5D,  E),  supporting  the  notion  that  Actl6a  may  repress  PrE  differentiation  through  in‐ hibition  of  Sall4  and  Fgf4  activities.  Finally,  we  per‐ formed  EB  formation  assays  using  the  double  knock‐ down cells. Here, the double knockdown cells were sim‐ ilar  to  negative  control  cells,  producing  fewer  and  smaller  cystic  EBs  than  cells  depleted  for  Actl6a  alone  www.StemCells.com 

 

(Fig.  5F,  red  arrow).  The  above  findings  place  Actl6a  directly upstream of Sall4 and Fgf4, where it negatively  regulates the differentiation of ESCs into the PrE lineage  by repressing Sall4 and Fgf4.    DISCUSSION    Actin‐related proteins are often integrated into multiple  complexes  and  participate  in diverse  cellular  processes  [39]. Notably, of all the actin‐related proteins [25], only  Actl6a  appears  enriched  in  mESCs  (http://biogps.org/#goto=genereport&id=56456).  In  line with Actl6a being essential for mouse embryogene‐ sis  [24],  our  data  indicate  that  Actl6a  is  an  important  player in maintaining ESCs and support a Yin‐Yang mod‐ el of  Actl6a‐mediated  ESC regulation  (Fig. 6).  Based  on  this  model,  Actl6a  collaborates  with  pluripotency  fac‐ tors such as Nanog and Sox2 to ensure ESC self‐renewal  on one hand, and inhibits key PrE factors including Sall4  and  Fgf4  on the  other,  functioning  as a  crucial  compo‐ nent of the Tip60‐p400 complex to prevent differentia‐ tion  into  the  PrE  lineage  (Fig.6).  Notably,  knocking  out  Actl6a in hematopoietic stem/progenitor cells impaired  both  cell  proliferation  and  viability,  while  Actl6a  stable  knockdown  affected  proliferation  but  not  survival  in  neural stem/progenitor cells [24, 40]. In our system, we  did  not  observe  significant  changes  in  mESC  viability  with Actl6a knockdown, perhaps Actl6a exerts different  functions in different types of stem cells.  Actl6 deletion could induce ESCs quickly differentiat‐ ing  into  PrE‐like  cells,  and  Nanog  overexpression  could  rescue  Actl6a  knockdown  induced  PrE  differentiation,  which  is  in  agreement  with  previous  reports  of  Nanog  being  a  key  repressor  of  the  PrE  lineage  [8,  41].    We  showed that Actl6a can interact directly with Nanog and  Sox2, but not with Oct4, the latter is contrary to a pre‐ vious report that identified Aclt6a as an Oct4‐associated  protein in mESCs by mass spectrometry [42]. It is possi‐ ble  that  Oct4‐Actl6a  interaction  may  be  too  weak  for  co‐IP analysis. Actl6a depletion impaired Nanog binding  to its target loci such as  Nanog, Oct4, Sox2, and  Jarid2  (Fig.3F); however, no enrichment of Actl6a was detect‐ ed near Nanog promoter regions (data not shown). It is  possible  that  Actl6a  may  enhance  Sox2  binding  to  the  Nanog  promoter  through  its  interaction  with  Sox2  [43,  44],  which  in  turn  upregulates  Nanog  expression  and  promotes Nanog binding to target genes.  Though  Actl6a  is  a  subunit  in  the  esBAF  (Brg1),  INO80  (Ino80),  and  Tip60‐p400  (p400)  complexes,  only  knockdown of p400 (not Brg1 or Ino80) resulted in PrE  differentiation  phenotypes  similar  to  Actl6a  inhibition.  In  fact,  Brg1  silencing  was  previously  shown  to  drive  ESCs to differentiate towards ectoderm and mesoderm  lineages [45, 46], and Ino80 appeared to mainly act as a  transcriptional  activator  for  pluripotency  genes  [21].  These findings together imply that different complexes,  despite sharing certain subunits, have distinct functions  in  controlling  mESC  self‐renewal  and  cell  fate  determi‐ nation.  When  we  disrupted  Actl6a  interaction  with  ©AlphaMed Press 2014 

 

5  Tip60 or p400, we abrogated its ability to rescue Actl6a  knockdown  cells,  suggesting  that  Actl6a  may  function  through  facilitating  the  proper  assembly  of  the  Tip60‐ p400  complex.  In  addition,  the  ATPase  activity  of  the  RSC  chromatin  remodeling  complex  was  shown  to  be  impaired  if  its  catalytic  subunit  Sth1  lacked  the  ARP‐ recruiting HSA domain [36]. It is therefore also possible  that  the  Actl6a‐p400  HSA  interaction  may  regulate  the  ATPase  activity  of  p400,  which  in  turn  helps  maintain  the undifferentiated state of ESCs.  We present evidence here that Actl6a could occupy  the promoter regions of Sall4 and Fgf4 and inhibit their  expression to prevent PrE differentiation. Because both  Sall4 and Fgf4 were also targeted by  p400 (based on a  ChIP‐on‐chip  study)  [20],  it  is  possible  that  the  Actl6a‐ containing  Tip60‐p400  complex  acts  as  an  important  upstream regulator in determining cell fate. Interesting‐ ly,  Sall4  was  induced  to  a  higher  level  than  Fgf4  in  Actl6a  depleted  cells,  and  Sall4  inhibition  led  to  more  dramatic  repression  of  PrE  genes.  It  was  shown  that  Sall4 homozygous  mutant mouse  blastocysts  failed  to  develop to EPI/PrE lineages and had impaired ability to  generate  ES  or  XEN  cell  lines  [47].  In  comparison,  ICM  from Fgf4 null mutant mouse blastocysts lacked the PrE  layer but still capable of generating XEN cell lines in the  presence  of  exogenous  FGF  [16].  Therefore,  Sall4  may  acts  as  a  nodal  point  that  governs  initial  cell  fate  deci‐ sions  regarding  PrE  differentiation.  The  relationship  between various PrE players warrants further investiga‐ tion.  Recently, XEN cells have emerged as a useful model  for studying PrE lineage development [48, 49], however,  the  process  of  generating  XEN  cells  from  embryos  and  ESCs remains time‐consuming [50]. Given our data that  Actl6a knockdown significantly upregulated PrE genes in  mESCs  and  promoted  cystic  EB  formation,  silencing  Actl6a  represents  an  attractive  strategy  for  optimizing  the  generation  of  XEN  cells.  In  addition,  siRNA‐based  approaches  are  also  valuable  for  clinical  applications,  with relative ease of delivery and absence of permanent  alterations  of  the  genome  [51].  For  instance,  dual‐ specific  kinase  MKK4  silencing  could  enhance  liver  re‐ generation  capacity  in  mouse  models  [52].  As  PrE  also  contributes  to  cardiac  formation,  our  findings  point  to  possible alternative methods such as silencing Actl6a to  improve the efficiency of PrE differentiation into specif‐ ic  cell  types,  which  should  benefit  future  regenerative  medicine [53‐55].    CONCLUSIONS    In summary, our data identify Actl6a, an actin‐like pro‐ tein, as an essential player for maintaining the undiffer‐ entiated  state  of  mESCs.  Actl6a  is  highly  expressed  in  mESCs  and  downregulated  during  differentiation.  RNAi  knockdown  of  Actl6a  in  mESCs  induced  differentiation,  especially towards the PrE lineage, and ectopic expres‐ sion  of  Actl6a  or  Nanog  rescued  such  phenotypes.  We  showed  that  Actl6a  could  interact  directly  with  Nanog  www.StemCells.com 

and  promote  its  binding  to  target  pluripotency  genes.  Notably,  similar  PrE  differentiation  results  were  ob‐ served  with  RNAi‐mediated  inhibition  of  p400,  but  not  Brg1  or  Ino80,  indicating  that  the  Tip60‐p400  complex  was involved in this  process. Disrupting the interaction  of  Actl6a  with  either  Tip60  or  p400  impaired  Actl6a  function in mESCs. Finally, we showed that Actl6a could  directly target and negatively regulate the expression of  PrE  regulators  Sall4  and  Fgf4.  Our  study  indicates  that  Actl6a  could  protect  mESCs  by  preventing  their  entry  into the PrE lineage through a Yin‐Yang regulatory pro‐ cess.   

MATERIALS AND METHODS    Cell lines, vectors, and RNAi  The  mouse  ESC  lines  used  were  AB2.2  (passage#18,  Darwin  Core  facility,  Baylor  College  of  Medicine)  and  A172‐loxP (passage#17, gift from Dr. Thomas P. Zwaka).  mESCs  were  maintained  under  feeder  free  conditions,  on  tissue  culture  dishes  coated  with  0.1%  gelatin  (Sig‐ ma‐Aldrich)  in  high  glucose  DMEM  medium  (Hyclone)  that was supplemented with 15% (v/v) fetal bovine se‐ rum,  β–mercaptoethanol  (55  M),  GlutaMax‐I  supple‐ ment (2mM), MEM non‐essential amino acids (0.1 mM),  and LIF (1,000 U/ml, Millipore). HEK293T cells were cul‐ tured  as  previously  described  [56].  XEN  cells  (pas‐ sage#3,  gift  from  Dr.  Malgorzata  Borowiak)  were  cul‐ tured as previously described [57]. To induce differenti‐ ation,  AB2.2  cells  were  cultured  without  LIF,  with  1%  dimethyl sulfoxide (DMSO) and in the absence of LIF, or  with  5M  retinoic  acid  (RA)  and  in  the  presence  of  LIF[58].  Sequences  encoding  murine  Actl6a,  Nanog,  Tip60,  and the HSA domain of p400 were PCR‐amplified from  AB2.2 cells, and cloned into either a MSCV‐based retro‐ viral expression  vector for  N‐terminal  tagging  with  HA‐ FLAG  (under  the  control  of  EF1  promoter)  or  the  pDEST‐27  vector  (Invitrogen)  for  N‐terminal  tagging  with  GST.  Actl6a  M3  mutant  and  RNAi‐resistant  con‐ struct  were  generated  by  Quick  Change  site‐directed  mutagenesis (Stratagene). The construct for inducible C‐ terminal HA‐Flag tagged Actl6a was generated by ligat‐ ing  mouse  Actl6a  cDNA  to  HA‐Flag  sequence  and  then  cloned  into  the  p2Lox  targeting  vector  [59].The  vector  was  then  electroporated  (500uF,  250V)  into  A172‐loxP  cells (1X107) together with pSalk‐Cre (total DNA amount  of 20g)[59]. Stable lines were established by selecting  the  cells  withG418  (300g/ml).  Individual  clones  were  selected and expanded.  mESCs were transfected with siRNA oligos targeting  various  genes  using  Lipofectamine  2000  (Invitrogen),  and harvested 48 hours after the second round of trans‐ fection,  unless  indicated  otherwise.  The  siRNA  oligos  were purchased from Sigma. Please see Supplementary  information,  Table  1  for  siRNA  sequences  used  in  this  study.    ©AlphaMed Press 2014 

 



Embryoid body (EB) formation assay and al‐ kaline phosphatase (AP) staining  AP staining was performed using the alkaline phospha‐ tase  detection  kit  (SCR004,  Millipore).  EB  formation  assays  were  carried  out  as  previously  described  [60],  with  minor  modifications.  For  cystic  embryoid  body  formation, cells were seeded as hanging drops (20l) at  a  density  of  4X104cells/ml  and  cultured  without  LIF  for  two days before being transferred to 100mm Petri dish‐ es  and  maintained  in  suspension  for  an  additional  10  days. EBs were visualized or harvested at different time  points.  For  EB  formation  assay  using  the  inducible  cell  lines,  cells  were  cultured  with  doxycycline  (500ng/ml)  for  48  hours  before  being  transferred  to  a  10cm  Petri  dish at a density of 4X106 cells with medium containing  doxycycline and without LIF for six days. For microscopy  analysis,  the  EBs  were  transferred  to  gelatin‐coated  tissue culture dishes and cultured for 24 hours prior to  imaging.   

Immunoprecipitation (IP), western blotting,  immunostaining, antibodies  HEK293T cells were transfected with various expression  constructs and harvested 48 hours after transfection for  IP  analysis  as  previously  described  [61].    Briefly,  cells  were lysed in 1xNETN buffer (containing 1mM DTT and  protease inhibitors (Gendepot, P3100‐010)). The super‐ natant was incubated with anti‐FLAG M2 agarose beads  (Sigma, A2220) for >2 hours at 4C. The immunoprecipi‐ tates  were  then  eluted  in  2x  Laemmli  buffer  (BioRad,  161‐0737).    Whole  cell  lysates  were  also  obtained  by  direct lysis of cells in 2xLaemmli buffer at 90C. All sam‐ ples  were  resolved  by  SDS‐PAGE  and  transferred  onto  polyvinylidene  fluoride  membranes  (BioRad,  1620177)  for  blotting  with  appropriate  antibodies.    For  im‐ munostaining,  cells  grown  on  glass  cover  slips  were  fixed in 4% paraformaldehyde, permeablized with 0.2%  Triton X‐100, and analyzed as described previously [61].  The following antibodies were used for IP and west‐ ern  blotting:  anti‐Actl6a  (A301‐391A),  anti‐GST‐HRP  (A190‐122P),  and  anti‐Nanog  (A300‐397A)  (Bethyl  La‐ boratories);  anti‐Ruvbl1  (12300S,  Cell  Signaling);  anti‐ Oct4  (sc‐5279),  anti‐Gata4  (sc‐9053),  and  anti‐GAPDH  (sc‐25778) (Santa Cruz); and anti‐FLAG (A8592) and an‐ ti‐FLAG  M2  affinity  gel  (A2220)  (Sigma).  For  im‐ munostaining,  the  antibodies  included  anti‐Actl6a  (A301‐391A)(Bethyl  Laboratories),  anti‐Oct4  (sc‐5279)  and anti‐Gata4 (sc‐9053) (Santa Cruz).   

Quantitative Real‐Time PCR (qRT‐PCR)  qRT‐PCR  was  performed  as  previously  described  [62].  Briefly, total RNA was isolated using the RNeasy Mini Kit  (Qiagen).  Following  cDNA  synthesis  using  the  iScript  Select  cDNA  Synthesis  Kit  (BioRad),  quantitative  PCR  was performed using SYBR Green PCR Master Mix (Ap‐       www.StemCells.com 

plied  Biosystems)  with  an  ABI  StepOnePlus  Real‐Time  PCR  System.  Results  were  normalized  to  GAPDH  tran‐ scripts and analyzed using the delta‐delta Ct method to  calculate  the  relative  fold  change  in  gene  expression.  The specific primer sequences are listed in Supplemen‐ tary information, Table 2. Statistical analyses were per‐ formed using GraphPad Prism5.   

Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) assay  ChIP  assays  were performed  using  the  fast  ChIP proto‐ col  [63]with  minor  modifications.  Briefly,  ESCs  were  fixed  for  15min  at  room  temperature  with  1.42%  for‐ maldehyde.  The  sonicated  chromatin  was  incubated  with  antibodies  at  4C  overnight  with  gentle  rotation.  The  immunoprecipitates  were  mixed  with  protein  A‐ agarose beads (sc2001, Santa Cruz) and rotated for 2hrs  at 4C. Chelex 100 resin (BioRad) was then added to the  immunoprecipitates  and  input  DNA  samples,  followed  by incubation at 100C for 10 minutes to reverse cross‐ linking.  After  proteinase  K  treatment  for  30  minutes,  DNA  was  recovered  and  subjected  to  real‐time  PCR  analysis using appropriate primers listed in the Supple‐ mentary information, Table 3. The following antibodies  were  used  for  ChIP  assay:  anti‐Nanog  (BL1663)(Bethyl  Laboratories),  and  anti‐Actl6a(ab3882)  and  Rabbit  IgG  (ab37415)(Abcam). Statistical analyses were performed  using GraphPad Prism5.    ACKNOWLEDGMENTS    This  work  was  supported  by  National  Basic  Research  Program  (973  Program  2010CB945400  and  2012CB911201), National Natural Science Foundation of  China  (NSFC  91019020,  91213302  and  31371508),  Zhujiang  Program  of  Science  and  Technology  Nova  in  Guangzhou  (2011J2200082);  NIGMS  GM081627.  We  would  also  like  to  acknowledge  the  support  of  the  C‐ BASS/GRSA shared resource of the Dan L. Duncan Can‐ cer  Center  (P30CA125123).  We  thank  Dr.  Thomas  P.  Zwaka  for  generously  providing  the  A172‐LoxP  ES  cell  line  and  p2Lox  and  pSalk‐Cre  vectors,  and  Dr.  Mal‐ gorzata Borowiak for the XEN cell line.    DISCLOSURE OF POTENTIAL CONFLICTS OF INTEREST    The authors indicate no potential conflicts of interest.   

AUTHOR CONTRIBUTIONS    W.L.,  M.W,  and  Z.S.:  designed  experiments;  W.L.,  L.F.,  B.O., X.Z., S.Z., X.F., Y.B., X.H., H.K., Q.H., J.H., and F.S.:  performed  experiments  and  analyzed  data;  W.L.,  D.L.,  J.H. and Z.S.: wrote and edited the manuscript.   

©AlphaMed Press 2014 

 

7   

REFERENCES    1  Kim  PT,  Ong  CJ.  Differentiation  of  definitive  endoderm  from  mouse  embryonic  stem  cells.  Results  and  problems  in  cell  differentiation. 2012;55:303‐319.  2  Fernandez‐Diaz  LC,  Laurent  A,  Girasoli  S  et  al.  The  absence  of  Prep1  causes  p53‐ dependent  apoptosis  of  mouse  pluripotent  epiblast  cells.  Development.  2010;137:3393‐ 3403.  3  Artus  J,  Chazaud  C.  A  close  look  at  the  mammalian blastocyst: epiblast and primitive  endoderm  formation.  Cellular  and  molecular  life sciences : CMLS. 2014.  4 Young RA. Control of the embryonic stem  cell state. Cell. 2011;144:940‐954.  5  Marson  A,  Levine  SS,  Cole  MF  et  al.  Connecting  microRNA  genes  to  the  core  transcriptional  regulatory  circuitry  of  embryonic stem cells. Cell. 2008;134:521‐533.  6 Evans MJ, Kaufman MH. Establishment in  culture  of  pluripotential  cells  from  mouse  embryos. Nature. 1981;292:154‐156.  7  Boyer  LA,  Lee  TI,  Cole  MF  et  al.  Core  transcriptional  regulatory  circuitry  in  human  embryonic stem cells. Cell. 2005;122:947‐956.  8  Mitsui  K,  Tokuzawa  Y,  Itoh  H  et  al.  The  homeoprotein  Nanog  is  required  for  maintenance  of  pluripotency  in  mouse  epiblast and ES cells. Cell. 2003;113:631‐642.  9  Chambers  I,  Colby  D,  Robertson  M  et  al.  Functional  expression  cloning  of  Nanog,  a  pluripotency  sustaining  factor  in  embryonic  stem cells. Cell. 2003;113:643‐655.  10  Plusa  B,  Piliszek  A,  Frankenberg  S  et  al.  Distinct  sequential  cell  behaviours  direct  primitive  endoderm  formation  in  the  mouse  blastocyst.  Development.  2008;135:3081‐ 3091.  11  Rossant  J,  Chazaud  C,  Yamanaka  Y.  Lineage  allocation  and  asymmetries  in  the  early  mouse  embryo.  Philosophical  transactions  of  the  Royal  Society  of  London  Series  B,  Biological  sciences.  2003;358:1341‐ 1348; discussion 1349.  12  Stephenson  RO,  Rossant  J,  Tam  PP.  Intercellular  interactions,  position,  and  polarity in establishing blastocyst cell lineages  and  embryonic  axes.  Cold  Spring  Harbor  perspectives in biology. 2012;4.  13 Chambers I, Silva J, Colby D et al. Nanog  safeguards  pluripotency  and  mediates  germline  development.  Nature.  2007;450:1230‐1234.  14  Bessonnard S,  De  Mot  L,  Gonze  D et al.  Gata6,  Nanog  and  Erk  signaling  control  cell  fate in the inner cell mass through a tristable  regulatory  network.  Development.  2014;141:3637‐3648.  15  Lim  CY,  Tam  WL,  Zhang  J  et  al.  Sall4  regulates  distinct  transcription  circuitries  in  different  blastocyst‐derived  stem  cell  lineages. Cell stem cell. 2008;3:543‐554.  16 Kang M, Piliszek A, Artus J et al. FGF4 is  required  for  lineage  restriction  and  salt‐and‐ pepper  distribution  of  primitive  endoderm  factors  but  not  their  initial  expression  in  the  mouse. Development. 2013;140:267‐279.  17 Arman E, Haffner‐Krausz R, Chen Y et al.  Targeted  disruption  of  fibroblast  growth  factor (FGF) receptor 2 suggests a role for FGF 

www.StemCells.com 

signaling  in  pregastrulation  mammalian  development.  Proceedings  of  the  National  Academy of Sciences of the United States of  America. 1998;95:5082‐5087.  18  Yamanaka  Y,  Lanner  F,  Rossant  J.  FGF  signal‐dependent  segregation  of  primitive  endoderm  and  epiblast  in  the  mouse  blastocyst. Development. 2010;137:715‐724.  19 Schrode N, Saiz N, Di Talia S et al. GATA6  levels  modulate  primitive  endoderm  cell  fate  choice  and  timing  in  the  mouse  blastocyst.  Developmental cell. 2014;29:454‐467.  20  Fazzio  TG,  Huff  JT,  Panning  B.  An  RNAi  screen of chromatin proteins identifies Tip60‐ p400  as  a  regulator  of  embryonic  stem  cell  identity. Cell. 2008;134:162‐174.  21  Wang  L,  Du  Y,  Ward  JM  et  al.  INO80  Facilitates  Pluripotency  Gene  Activation  in  Embryonic  Stem  Cell  Self‐Renewal,  Reprogramming,  and  Blastocyst  Development.  Cell  stem  cell.  2014;14:575‐ 591.  22  Ho  L,  Miller  EL,  Ronan  JL  et  al.  esBAF  facilitates  pluripotency  by  conditioning  the  genome  for  LIF/STAT3  signalling  and  by  regulating  polycomb  function.  Nature  cell  biology. 2011;13:903‐913.  23  Yoo  AS,  Sun  AX,  Li  L  et  al.  MicroRNA‐ mediated conversion  of  human  fibroblasts to  neurons. Nature. 2011;476:228‐231.  24 Krasteva V, Buscarlet M, Diaz‐Tellez A et  al.  The  BAF53a  subunit  of  SWI/SNF‐like  BAF  complexes  is  essential  for  hemopoietic  stem  cell function. Blood. 2012;120:4720‐4732.  25  Bao  X,  Tang  J,  Lopez‐Pajares  V  et  al.  ACTL6a  enforces  the  epidermal  progenitor  state  by  suppressing  SWI/SNF‐dependent  induction  of  KLF4.  Cell  stem  cell.  2013;12:193‐203.  26  Ang  SL,  Wierda  A,  Wong  D  et  al.  The  formation  and  maintenance  of  the  definitive  endoderm lineage in the mouse: involvement  of  HNF3/forkhead  proteins.  Development.  1993;119:1301‐1315.  27  Kanai‐Azuma  M,  Kanai  Y,  Gad  JM  et  al.  Depletion  of  definitive  gut  endoderm  in  Sox17‐null  mutant  mice.  Development.  2002;129:2367‐2379.  28  Hwang JT,  Kelly GM. GATA6  and FOXA2  regulate  Wnt6  expression  during  extraembryonic  endoderm  formation.  Stem  cells and development. 2012;21:3220‐3232.  29 Artus J, Piliszek A, Hadjantonakis AK. The  primitive  endoderm  lineage  of  the  mouse  blastocyst:  sequential  transcription  factor  activation and regulation of differentiation by  Sox17.  Developmental  biology.  2011;350:393‐404.  30 Magyar JP, Nemir M, Ehler E et al. Mass  production  of  embryoid  bodies  in  microbeads.  Annals  of  the  New  York  Academy of Sciences. 2001;944:135‐143.  31  Martin  GR,  Wiley  LM,  Damjanov  I.  The  development  of  cystic  embryoid  bodies  in  vitro  from  clonal  teratocarcinoma  stem  cells.  Developmental biology. 1977;61:230‐244.  32  Shimoda  M,  Kanai‐Azuma  M,  Hara  K  et  al. Sox17 plays a substantial role in late‐stage  differentiation  of  the  extraembryonic  endoderm  in  vitro.  Journal  of  cell  science.  2007;120:3859‐3869.  33 Hyslop L, Stojkovic M, Armstrong L et al.  Downregulation  of  NANOG  induces 

differentiation  of  human  embryonic  stem  cells  to  extraembryonic  lineages.  Stem  Cells.  2005;23:1035‐1043.  34  Wu  Q,  Chen  X,  Zhang  J  et  al.  Sall4  interacts  with  Nanog  and  co‐occupies  Nanog  genomic  sites  in  embryonic  stem  cells.  The  Journal  of  biological  chemistry.  2006;281:24090‐24094.  35 Kidder BL, Palmer S, Knott JG. SWI/SNF‐ Brg1 regulates self‐renewal and occupies core  pluripotency‐related genes in embryonic stem  cells. Stem Cells. 2009;27:317‐328.  36  Szerlong  H,  Hinata  K,  Viswanathan  R  et  al.  The  HSA  domain  binds  nuclear  actin‐ related  proteins  to  regulate  chromatin‐ remodeling  ATPases.  Nature  structural  &  molecular biology. 2008;15:469‐476.  37 Nishimoto N, Watanabe M, Watanabe S  et  al.  Heterocomplex  formation  by  Arp4  and  beta‐actin  is  involved  in  the  integrity  of  the  Brg1  chromatin  remodeling  complex.  Journal  of cell science. 2012;125:3870‐3882.  38  Zhang  J,  Tam  WL,  Tong  GQ  et  al.  Sall4  modulates  embryonic  stem  cell  pluripotency  and  early  embryonic  development  by  the  transcriptional  regulation  of  Pou5f1.  Nature  cell biology. 2006;8:1114‐1123.  39  Dion  V,  Shimada  K,  Gasser  SM.  Actin‐ related  proteins  in  the  nucleus:  life  beyond  chromatin  remodelers.  Current  opinion  in  cell biology. 2010;22:383‐391.  40  Lessard  J,  Wu  JI,  Ranish  JA  et  al.  An  essential  switch  in  subunit  composition  of  a  chromatin remodeling complex during neural  development. Neuron. 2007;55:201‐215.  41 Frankenberg S, Gerbe F, Bessonnard S et  al.  Primitive  endoderm  differentiates  via  a  three‐step  mechanism  involving  Nanog  and  RTK  signaling.  Developmental  cell.  2011;21:1005‐1013.  42  Ding  J,  Xu  H,  Faiola  F  et  al.  Oct4  links  multiple  epigenetic  pathways  to  the  pluripotency  network.  Cell  research.  2012;22:155‐167.  43 Gagliardi A, Mullin NP, Ying Tan Z et al. A  direct  physical  interaction  between  Nanog  and  Sox2  regulates  embryonic  stem  cell  self‐ renewal.  The  EMBO  journal.  2013;32:2231‐ 2247.  44  Rodda  DJ,  Chew  JL,  Lim  LH  et  al.  Transcriptional  regulation  of  nanog  by  OCT4  and  SOX2.  The  Journal  of  biological  chemistry. 2005;280:24731‐24737.  45 Singhal N, Esch D, Stehling M et al. BRG1  Is  Required  to  Maintain  Pluripotency  of  Murine  Embryonic  Stem  Cells.  BioResearch  open access. 2014;3:1‐8.  46 Ho L, Ronan JL, Wu J et al. An embryonic  stem  cell  chromatin  remodeling  complex,  esBAF,  is  essential  for  embryonic  stem  cell  self‐renewal and pluripotency. Proceedings of  the  National  Academy  of  Sciences  of  the  United  States  of  America.  2009;106:5181‐ 5186.  47  Elling  U,  Klasen  C,  Eisenberger  T  et  al.  Murine  inner  cell  mass‐derived  lineages  depend on Sall4 function. Proceedings of the  National  Academy  of  Sciences  of the  United  States of America. 2006;103:16319‐16324.  48  Artus  J,  Douvaras  P,  Piliszek  A  et  al.  BMP4  signaling  directs  primitive  endoderm‐ derived  XEN  cells  to  an  extraembryonic 

©AlphaMed Press 2014 

 

8  visceral  endoderm  identity.  Developmental  biology. 2012;361:245‐262.  49  Kruithof‐de  Julio  M,  Alvarez  MJ,  Galli  A  et  al.  Regulation  of  extra‐embryonic  endoderm  stem  cell  differentiation  by  Nodal  and  Cripto  signaling.  Development.  2011;138:3885‐3895.  50  Niakan  KK,  Schrode  N,  Cho  LT  et  al.  Derivation of extraembryonic endoderm stem  (XEN)  cells  from  mouse  embryos  and  embryonic  stem  cells.  Nature  protocols.  2013;8:1028‐1041.  51  Khanjyan  MV,  Yang  J,  Kayali  R  et  al.  A  high‐content,  high‐throughput  siRNA  screen  identifies  cyclin  D2  as  a  potent  regulator  of  muscle  progenitor  cell  fusion  and  a  target  to  enhance  muscle  regeneration.  Human  molecular genetics. 2013;22:3283‐3295.  52 Wuestefeld T, Pesic M, Rudalska R et al.  A  Direct  in  vivo  RNAi  screen  identifies  MKK4  as  a  key  regulator  of  liver  regeneration.  Cell.  2013;153:389‐401.  53  Holtzinger  A,  Rosenfeld  GE,  Evans  T.  Gata4  directs  development  of  cardiac‐

inducing  endoderm  from  ES  cells.  Developmental biology. 2010;337:63‐73.  54  Brown  K,  Doss  MX,  Legros  S  et  al.  eXtraembryonic  ENdoderm  (XEN)  stem  cells  produce factors that activate heart formation.  PloS one. 2010;5:e13446.  55  Liu  W,  Brown  K,  Legros  S  et  al.  Nodal  mutant  eXtraembryonic  ENdoderm  (XEN)  stem cells upregulate markers for the anterior  visceral  endoderm  and  impact  the  timing  of  cardiac  differentiation  in  mouse  embryoid  bodies. Biology open. 2012;1:208‐219.  56  Shi  FT,  Kim  H,  Lu  W  et  al.  Ten‐eleven  translocation 1 (Tet1) is regulated by O‐linked  N‐acetylglucosamine  transferase  (Ogt)  for  target  gene  repression  in  mouse  embryonic  stem  cells.  The  Journal  of  biological  chemistry. 2013;288:20776‐20784.  57  Niakan  KK,  Ji  H,  Maehr  R  et  al.  Sox17  promotes differentiation in mouse embryonic  stem  cells  by  directly  regulating  extraembryonic  gene  expression  and  indirectly antagonizing self‐renewal. Genes &  development. 2010;24:312‐326. 

58 Khalfallah O, Rouleau M, Barbry P et al.  Dax‐1  knockdown  in  mouse  embryonic  stem  cells  induces  loss  of  pluripotency  and  multilineage  differentiation.  Stem  Cells.  2009;27:1529‐1537.  59  Fujita  J,  Crane  AM,  Souza  MK  et  al.  Caspase  activity  mediates  the  differentiation  of  embryonic  stem  cells.  Cell  stem  cell.  2008;2:595‐601.  60 Price FD, Yin H, Jones A et al. Canonical  Wnt  signaling  induces  a  primitive  endoderm  metastable  state  in  mouse  embryonic  stem  cells. Stem Cells. 2013;31:752‐764.  61  Chen  LY,  Liu  D,  Songyang  Z.  Telomere  maintenance  through  spatial  control  of  telomeric  proteins.  Molecular  and  cellular  biology. 2007;27:5898‐5909.  62  Liu  Y,  Kim  H,  Liang  J  et  al.  The  death‐ inducer  obliterator  1  (Dido1)  gene  regulates  embryonic stem cell self‐renewal. The Journal  of biological chemistry. 2014;289:4778‐4786.  63  Nelson  JD,  Denisenko  O,  Bomsztyk  K.  Protocol  for  the  fast  chromatin  immunoprecipitation  (ChIP)  method.  Nature  protocols. 2006;1:179‐185. 

 

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

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 



 

Figure 1. Knockdown Actl6a  in  mouse  embryonic  stem  cells  (mESCs)  leads  to primitive  endoderm  (PrE) differentia‐ tion. (A‐D) mESCs were cultured in the presence of LIF, transfected with control oligos (siControl) or three different  oligos  targeting  Actl6a,  and  analyzed  in  the  following  assays.  (A)  Cells  were  western  blotted  for  Actl6a  to  assess  knockdown efficiency, and Nanog and Oct4 expression. GAPDH was used as a loading control. (B) Cells were visual‐ ized by  phase‐contrast microscopy (upper panel) and stained for alkaline phosphatase (AP) activities (lower panel).  (C) Cells were analyzed by qRT‐PCR for the expression of the indicated lineages markers. Error bars indicate SD (n=3).  *, p

Actl6a protects embryonic stem cells from differentiating into primitive endoderm.

Actl6a (actin-like protein 6A, also known as Baf53a or Arp4) is a subunit shared by multiple complexes including esBAF, INO80, and Tip60-p400, whose m...
2MB Sizes 0 Downloads 11 Views