Mitochondrial Stat3 links the metabolic and epigenetic profiles of murine embryonic stem cells

Pluripotent epiblast cells of the pre-implantation murine embryo and their in vitro counterpart, mouse embryonic stem cells (mESCs), can give rise to all cell types of the adult. Despite the important practical implications, the mechanisms underlying pluripotency maintenance in vitro are only partially understood. Mouse ESCs are traditionally cultured in the presence of the cytokine LIF, which acts via the transcription factor Stat3 to induce its target pluripotency genes and promote self-renewal. Recently, a fraction of the Stat3 pool was found to localise in mitochondria of mESCs; our results show that mitochondrial Stat3 unexpectedly contributes to nuclear gene expression regulation, specifically by inducing DNA hypomethylation via metabolic reconfiguration. However, DNA methylation does not account entirely for the broad transcriptional control operated by mitochondrial Stat3, suggesting additional regulatory mechanisms must be involved. With the final aim to uncover other putative regulatory axes, we extensively profiled mESCs and exploited a computational approach to highlight the most significant correlations between transcripts, epigenetic marks and metabolites regulated by mitochondrial Stat3. Prompted by the most robust in silico predictions, we were able to prove experimentally that mitochondrial Stat3 restrains the levels of repressive histone modifications H3K9me3 and H3K27me3, by modulating the availability of acetylCoA and α-ketoglutarate; this metabolic-driven epigenetic reconfiguration eventually results in the upregulation of naive- associated genes and in the downregulation of formative markers, leading to a stabilised pluripotent phenotype in mESCs. As Stat3 is dysregulated in a wide range of cancers, we speculate that such molecular module might be at play also in pathological conditions.

Le cellule pluripotenti dell'embrione murino preimpianto e la loro controparte in vitro, le cellule staminali embrionali murine, possono dare origine a tutti i tipi cellulari dell'adulto. Nonostante le importanti implicazioni pratiche, i meccanismi alla base del mantenimento della pluripotenza in vitro sono noti solo parzialmente. Le cellule staminali embrionali murine sono tradizionalmente coltivate in presenza della citochina LIF, che agisce tramite il fattore di trascrizione Stat3 per indurre i suoi geni bersaglio di pluripotenza e per promuovere l'autorinnovamento. Recentemente, è stato scoperto che una frazione del pool Stat3 localizza nei mitocondri delle cellule staminali embrionali; i nostri risultati mostrano che Stat3 mitocondriale contribuisce inaspettatamente alla regolazione dell'espressione genica nucleare, in particolare inducendo l'ipometilazione del DNA tramite una riconfigurazione metabolica. Tuttavia, la metilazione del DNA non spiega interamente l'ampio controllo trascrizionale operato da Stat3 mitocondriale, suggerendo che debbano essere coinvolti ulteriori meccanismi regolatori. Con l'obiettivo finale di scoprire altri possibili assi regolatori, abbiamo profilato le cellule staminali embrionali tramite tecniche omiche e sfruttato un approccio computazionale per evidenziare le correlazioni più significative tra trascritti, modifiche epigenetiche e metaboliti regolati da Stat3 mitocondriale. A partire dalle più robuste previsioni ottenute in silico, abbiamo dimostrato sperimentalmente che Stat3 mitocondriale reprime i livelli delle modifiche istoniche repressive H3K9me3 e H3K27me3, modulando la disponibilità di acetilCoA e α-chetoglutarato; questa riconfigurazione epigenetica guidata dal metabolismo si traduce alla fine nell’attivazione di geni associati a pluripotenza e nella repressione di marcatori precoci del differenziamento, portando ad una stabilizzazione del fenotipo pluripotente. Poiché Stat3 è disregolato in un'ampia gamma di tumori, ipotizziamo che tale modulo molecolare possa avere un ruolo anche in condizioni patologiche.