The most highly conserved noncoding elements (HCNEs) in mammalian genomes cluster within regions enriched for genes encoding developmentally important transcription factors (TFs). This suggests that HCNE-rich regions may contain key regulatory controls involved in development. We explored this by examining histone methylation in mouse embryonic stem (ES) cells across 56 large HCNE-rich loci. We identified a specific modification pattern, termed "bivalent domains," consisting of large regions of H3 lysine 27 methylation harboring smaller regions of H3 lysine 4 methylation. Bivalent domains tend to coincide with TF genes expressed at low levels. We propose that bivalent domains silence developmental genes in ES cells while keeping them poised for activation. We also found striking correspondences between genome sequence and histone methylation in ES cells, which become notably weaker in differentiated cells. These results highlight the importance of DNA sequence in defining the initial epigenetic landscape and suggest a novel chromatin-based mechanism for maintaining pluripotency.

We report the application of single-molecule-based sequencing technology for high-throughput profiling of histone modifications in mammalian cells. By obtaining over four billion bases of sequence from chromatin immunoprecipitated DNA, we generated genome-wide chromatin-state maps of mouse embryonic stem cells, neural progenitor cells and embryonic fibroblasts. We find that lysine 4 and lysine 27 trimethylation effectively discriminates genes that are expressed, poised for expression, or stably repressed, and therefore reflect cell state and lineage potential. Lysine 36 trimethylation marks primary coding and non-coding transcripts, facilitating gene annotation. Trimethylation of lysine 9 and lysine 20 is detected at satellite, telomeric and active long-terminal repeats, and can spread into proximal unique sequences. Lysine 4 and lysine 9 trimethylation marks imprinting control regions. Finally, we show that chromatin state can be read in an allele-specific manner by using single nucleotide polymorphisms. This study provides a framework for the application of comprehensive chromatin profiling towards characterization of diverse mammalian cell populations. Although they contain the same set of genes, different cell types in a multicellular organism maintain very different behaviours. These cell states are thought to be related to chromatin state — that is, modifications to histones and other proteins that package the genome. Single-molecule sequencing technology has now been used to construct chromatin-state maps for mouse embryonic stem cells and two other more developmentally advanced cell types, revealing the genome-wide distribution of important chromatin modifications. The study provides pointers for the use of chromatin profiling on mammalian cell populations, including those of abnormal cells, such as cancer. Single-molecule-based sequencing technology is applied to generate genome-wide maps of chromatin modifications in mammalian cells. Histone marks can discriminate genes that are active, poised for activation, or stably repressed and therefore reflect cell state and developmental potential.

Cellular differentiation and lineage commitment are considered to be robust and irreversible processes during development. Recent work has shown that mouse and human fibroblasts can be reprogrammed to a pluripotent state with a combination of four transcription factors. This raised the question of whether transcription factors could directly induce other defined somatic cell fates, and not only an undifferentiated state. We hypothesized that combinatorial expression of neural-lineage-specific transcription factors could directly convert fibroblasts into neurons. Starting from a pool of nineteen candidate genes, we identified a combination of only three factors, Ascl1, Brn2 (also called Pou3f2) and Myt1l, that suffice to rapidly and efficiently convert mouse embryonic and postnatal fibroblasts into functional neurons in vitro. These induced neuronal (iN) cells express multiple neuron-specific proteins, generate action potentials and form functional synapses. Generation of iN cells from non-neural lineages could have important implications for studies of neural development, neurological disease modelling and regenerative medicine. The discovery that differentiated cells such as fibroblasts can be reprogrammed to pluripotency, producing iPS (induced pluripotent stem) cells, has generated much interest because of their potential therapeutic uses. Now Vierbuchen et al. show that mature differentiated cells can be directed, using a cocktail of transcription factors distinct from those used for generating iPS cells, to form functional neurons in vitro, without having to revert the fibroblasts to an embryonic state. Just three factors, Ascl1, Brn2 (Pou3f2) and Myt1l, suffice to convert mouse embryonic and postnatal fibroblasts into functional neurons. Mouse and human fibroblasts can be reprogrammed to a pluripotent state with a combination of four transcription factors. Here, mature differentiated cells are directed, via a combination of a few transcription factors (distinct from those described for generating iPS cells), to form functional neurons in vitro, without having to revert the fibroblasts to an embryonic state.

DNA methylation is essential for normal development and has been implicated in many pathologies including cancer. Our knowledge about the genome-wide distribution of DNA methylation, how it changes during cellular differentiation and how it relates to histone methylation and other chromatin modifications in mammals remains limited. Here we report the generation and analysis of genome-scale DNA methylation profiles at nucleotide resolution in mammalian cells. Using high-throughput reduced representation bisulphite sequencing and single-molecule-based sequencing, we generated DNA methylation maps covering most CpG islands, and a representative sampling of conserved non-coding elements, transposons and other genomic features, for mouse embryonic stem cells, embryonic-stem-cell-derived and primary neural cells, and eight other primary tissues. Several key findings emerge from the data. First, DNA methylation patterns are better correlated with histone methylation patterns than with the underlying genome sequence context. Second, methylation of CpGs are dynamic epigenetic marks that undergo extensive changes during cellular differentiation, particularly in regulatory regions outside of core promoters. Third, analysis of embryonic-stem-cell-derived and primary cells reveals that 'weak' CpG islands associated with a specific set of developmentally regulated genes undergo aberrant hypermethylation during extended proliferation in vitro, in a pattern reminiscent of that reported in some primary tumours. More generally, the results establish reduced representation bisulphite sequencing as a powerful technology for epigenetic profiling of cell populations relevant to developmental biology, cancer and regenerative medicine.

It has recently been demonstrated that mouse and human fibroblasts can be reprogrammed into an embryonic stem cell-like state by introducing combinations of four transcription factors. However, the therapeutic potential of such induced pluripotent stem (iPS) cells remained undefined. By using a humanized sickle cell anemia mouse model, we show that mice can be rescued after transplantation with hematopoietic progenitors obtained in vitro from autologous iPS cells. This was achieved after correction of the human sickle hemoglobin allele by gene-specific targeting. Our results provide proof of principle for using transcription factor-induced reprogramming combined with gene and cell therapy for disease treatment in mice. The problems associated with using retroviruses and oncogenes for reprogramming need to be resolved before iPS cells can be considered for human therapy.

Somatic cells can be reprogrammed to a pluripotent state through the ectopic expression of defined transcription factors. Understanding the mechanism and kinetics of this transformation may shed light on the nature of developmental potency and suggest strategies with improved efficiency or safety. Here we report an integrative genomic analysis of reprogramming of mouse fibroblasts and B lymphocytes. Lineage-committed cells show a complex response to the ectopic expression involving induction of genes downstream of individual reprogramming factors. Fully reprogrammed cells show gene expression and epigenetic states that are highly similar to embryonic stem cells. In contrast, stable partially reprogrammed cell lines show reactivation of a distinctive subset of stem-cell-related genes, incomplete repression of lineage-specifying transcription factors, and DNA hypermethylation at pluripotency-related loci. These observations suggest that some cells may become trapped in partially reprogrammed states owing to incomplete repression of transcription factors, and that DNA de-methylation is an inefficient step in the transition to pluripotency. We demonstrate that RNA inhibition of transcription factors can facilitate reprogramming, and that treatment with DNA methyltransferase inhibitors can improve the overall efficiency of the reprogramming process. The ability to persuade fully differentiated (somatic) human cells into a pluripotent stem cell state reliably would be a great advance in regenerative medicine. Recent work in human and mouse cells showed that such reprogramming is possible, but current routes to iPS (induced pluripotent stem) cells are inefficient and the mechanisms involved are poorly understood. Now a genomic analysis of the reprogramming of murine fibroblasts and B lymphocytes, together with an analysis of the chromatin state and DNA methylation, throws light on the obstacles that prevent most cells from reprogramming. It seems that some cells become trapped in partially reprogrammed states due to incomplete repression of transcription factors, that transient RNA inhibition of transcription factors can aid reprogramming, and that treatment with DNA methyltransferase inhibitors can improve the efficiency of the reprogramming process. A genomic analysis of the reprogramming of murine fibroblasts and B lymphocytes was performed. It is shown that fully reprogrammed cells display gene expression and epigenetic states that are highly similar to embryonic stem cells. But in stable partially reprogrammed cell lines, there is reactivation of a distinct subset of stem cell-related genes and incomplete repression of lineage-specifying transcription factors.

Summary

 Available methods for differentiating human embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent cells (iPSCs) into neurons are often cumbersome, slow, and variable. Alternatively, human fibroblasts can be directly converted into induced neuronal (iN) cells. However, with present techniques conversion is inefficient, synapse formation is limited, and only small amounts of neurons can be generated. Here, we show that human ESCs and iPSCs can be converted into functional iN cells with nearly 100% yield and purity in less than 2 weeks by forced expression of a single transcription factor. The resulting ES-iN or iPS-iN cells exhibit quantitatively reproducible properties independent of the cell line of origin, form mature pre- and postsynaptic specializations, and integrate into existing synaptic networks when transplanted into mouse brain. As illustrated by selected examples, our approach enables large-scale studies of human neurons for questions such as analyses of human diseases, examination of human-specific genes, and drug screening.