Epigenetic reprogramming of hepatocyte-like cells

Abstract

The impact of physical microenvironment on cells was recently reported to have major influence on multipotency, self-renewal, cells plasticity and cell fate determination. In this study, we used physical-based methods, physical constraint (PC) and controlled confinement (CC), to induce multipotency of HepaRG, a bipotent progenitor of liver cells. RRBS and mRNA sequencing were performed to investigate changes in DNA methylation and mRNA levels during reprogramming and PC-induced differentiation. The results showed that PC and CC yielded similar results during reprogramming, e.g. locus-specific methylation changes towards hypomethylation and activation of immunomodulation process were observed. Particularly, CC also facilitated cell differentiation via IL-17 signaling. PC-induced differentiation of multipotent-like cells to hepatocyte-like cells was also combined with hydrocortisone and DMSO. Global hypomethylation was observed during PCinduced differentiation with the tendency towards a focal regain of methylation. In line with this, genes related to cytochrome P450 pathways were rebooted, suggesting that hepatic differentiation was partially induced. Furthermore, integrated analysis between differential methylation changes and chromatin states (ChromHMM) of differentiated HepaRG indicated that chromatin states were important in building the macromolecular structure that determine DNA methylation and gene expression during reprogramming and PC-induced differentiation of HepaRG.

Physische Mikroumgebung von Zellen hat einen großen Einfluss auf die Multipotenz, Selbsterneuerung, Zellplastizität und Bestimmung des Zellschicksals. In der vorliegenden Arbeit wurden die physikalisch basierten Methoden, „Physical Constraint“ (PC) und „Controlled Confinement“ (CC) verwendet, um die Multipotenz von HepaRG- Zellen, einem bipotenten Vorläufer von Leberzellen, zu induzieren. Die genomweite Analyse molekularer Signaturen (DNAMethylierung und Transkriptom) ergaben während der Reprogrammierung ähnliche Ergebnisse zwischen PC und CC, z.B. wurden lokus-spezifische Methylierungsänderungen in Richtung Hypomethylierung, sowie die Aktivierung des Immunmodulationsprozesses, beobachtet. Insbesondere CC förderte die Zelldifferenzierung mittels IL-17 Signaltransduktion. Die PCinduzierte Differenzierung (PCi) multipotenter Zellen zu Hepatozyten-ähnlichen Zellen unter Zugabe von Hydrocortison und DMSO resultierte in globaler Hypomethylierung, mit der Tendenz zur erneuten Etablierung fokaler Methylierung. Parallel hierzu wurden Gene, die mit Cytochrom P450 Signalwegen verbunden sind, wieder aktiviert, was darauf hindeutet, dass die PCi- Differenzierung teilweise erreicht wurde. Darüber hinaus zeigte die integrative Analyse von differentiellen Methylierungsänderungen und Chromatinzuständen (ChromHMM) differenzierter HepaRG die Wichtigkeit des Chromatinzustands beim Aufbau makromolekularer Strukturen, die die DNA-Methylierung und Genexpression während der Reprogrammierung und PCi- Differenzierung dieser Zellen bestimmen.