Deciphering in vivo reprogramming and its rejuvenating potential

espanolLa manipulacion de la identidad celular a traves de la reprogramacion ha sido uno de los avances cientificos mas relevantes de los ultimos anos. La aportacion mas destacada al campo fue la de Yamanaka, quien por primera vez obtuvo celulas madre pluripotentes inducidas a partir de celulas diferenciadas mediante la expresion ectopica de cuatro factores de transcripcion, Oct4, Sox2, Klf4 y c-Myc, tambien conocidos como OSKM. Nuestro laboratorio ha demostrado que la expresion transitoria de estos cuatro factores de Yamanaka promueve la formacion de teratomas en ratones, demostrando la existencia de reprogramacion in vivo. Nuestro interes se centraba en discernir los pasos intermedios de desdiferenciacion celular, inducidos por la expresion de OSKM in vivo con anterioridad a la adquisicion de la pluripotencia. Para ello enfocamos el estudio en el pancreas, puesto que es el organo con mayor eficiencia de reprogramacion in vivo. Aqui demostramos que la reprogramacion in vivo lleva a la perdida de la identidad acinar en el pancreas y a la adquisicion de una morfologia tubular atipica que difiere de los ductos pancreaticos y de los ductos metaplasticos producidos durante una pancreatitis. Es destacable que los tubulos atipicos inducidos por OSKM se caracterizan por la presencia de keratina 14 (KRT14), una proteina que no esta normalmente presente en el pancreas, a excepcion de infrecuentes canceres pancreaticos de celulas escamosas. Ademas, estas celulas atipicas positivas para KRT14 se observan en varios tejidos tras la expresion de OSKM, siendo Klf4 el principal propulsor de su aparicion, al menos en fibroblastos. La secuenciacion del transcriptoma de celulas individuales que han sido reprogramadas parcialmente confirma la presencia de multiples cambios en identidad celular, tanto en celulas acinares como ductales. Finalmente, celulas derivadas de pancreas parcialmente reprogramados son capaces de formar organoides in vitro, cuyo perfil transcripcional se asemeja a estadios embrionarios primitivos. En un enfoque experimental similar, hemos investigado el potencial de celulas parcialmente reprogramadas para rejuvenecer tejidos. Para ello, la expresion de OSKM fue activada de manera transitoria y posteriormente inactivada para permitir la recuperacion de la homeostasis histologica. Resulta interesante que la activacion transitoria de OSKM en ratones envejecidos promueve el rejuvenecimiento de alteraciones transcripcionales asociadas al envejecimiento. Ademas, a nivel epigenetico, la expresion transitoria de OSKM revierte los cambios en aquellas regiones, incluyendo promotores y enhancers, cuyo estado de metilacion se altera con el envejecimiento, poniendo de manifiesto su efecto beneficioso en el rejuvenecimiento. En conclusion, entender la plasticidad celular inducida por la expresion transitoria de OSKM es de gran importancia, puesto que leves desequilibrios pueden inducir tanto a la remodelacion tisular, como a la formacion de tumores o bien al rejuvenecimiento EnglishThe manipulation of cell fates through reprogramming is one of the most exciting advances in recent years. The most striking breakthrough in the field occurred when Yamanaka first illustrated the possibility to convert differentiated cells into pluripotent stem cells by the ectopic expression of four transcription factors, Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc or OSKM. Our laboratory has demonstrated that transient expression of these four Yamanaka factors leads to teratoma formation in mice indicative of in vivo reprogramming. We were interested in deciphering the intermediate events of de-differentiation induced by OSKM in vivo before reaching pluripotency. For this purpose, we focused on the pancreas which we found to be the organ with the highest reprogramming efficiency in vivo. We demonstrate that in vivo reprogramming leads to the loss of pancreatic acinar identity and the acquisition of an atypical tubular morphology different from normal pancreatic ducts or from the metaplastic ducts produced by pancreatitis. Interestingly, the OSKM-induced atypical tubules are characterized by the presence of keratin 14 (KRT14), a protein that it is normally absent from pancreas, except in the context of rare squamous pancreatic cancers. Moreover, these atypical KRT14-positive cells emerge in many different tissues and primary cells upon OSKM activation, with Klf4 overexpression being the driving force in their emergence, at least in fibroblasts. Single cell RNA sequencing of partially reprogrammed pancreas confirms the presence of extensive changes in cell identity both in acinar and ductal cells. Finally, cells derived from partially reprogrammed pancreas efficiently form organoids in vitro with a transcriptional profile that resembles primitive embryonic stages. In a complementary experimental approach, we have investigated the potential of partial reprogramming(definition) to rejuvenate tissues. For this, OSKM was transiently induced and then switched off to allow the restoration of normal histology. Interestingly, we found that transient OSKM activation in old mice rejuvenates transcriptomic alterations associated to aging. Moreover, at an epigenetic level, OSKM transient expression reverses the methylation status of some age-associated differentially methylated regions, including promoters and enhancers, highlighting its beneficial window towards rejuvenation. Overall, unraveling the cellular plasticity induced by transient OSKM activation is of great importance considering that a shift in equilibrium could lead either to extensive tissue remodeling and tumor formation, or to rejuvenation