Ectopic expression of the four transcription factors Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4 is sufficient to confer a pluripotent state upon the fibroblast genome, generating induced pluripotent stem (iPS) cells. It remains unknown if nuclear reprogramming induced by these four factors globally resets epigenetic differences between differentiated and pluripotent cells. Here, using novel selection approaches, we have generated iPS cells from fibroblasts to characterize their epigenetic state. Female iPS cells showed reactivation of a somatically silenced X chromosome and underwent random X inactivation upon differentiation. Genome-wide analysis of two key histone modifications indicated that iPS cells are highly similar to ES cells. Consistent with these observations, iPS cells gave rise to viable high-degree chimeras with contribution to the germline. These data show that transcription factor-induced reprogramming leads to the global reversion of the somatic epigenome into an ES-like state. Our results provide a paradigm for studying the epigenetic modifications that accompany nuclear reprogramming and suggest that abnormal epigenetic reprogramming does not pose a problem for the potential therapeutic applications of iPS cells.

The Polycomb group (PcG) protein Eed is implicated in regulation of imprinted X-chromosome inactivation in extraembryonic cells but not of random X inactivation in embryonic cells. The Drosophila homolog of the Eed-Ezh2 PcG protein complex achieves gene silencing through methylation of histone H3 on lysine 27 (H3-K27), which suggests a role for H3-K27 methylation in imprinted X inactivation. Here we demonstrate that transient recruitment of the Eed-Ezh2 complex to the inactive X chromosome (Xi) occurs during initiation of X inactivation in both extraembryonic and embryonic cells and is accompanied by H3-K27 methylation. Recruitment of the complex and methylation on the Xi depend on Xist RNA but are independent of its silencing function. Together, our results suggest a role for Eed-Ezh2–mediated H3-K27 methylation during initiation of both imprinted and random X inactivation and demonstrate that H3-K27 methylation is not sufficient for silencing of the Xi.

The generation of patient-specific pluripotent stem cells has the potential to accelerate the implementation of stem cells for clinical treatment of degenerative diseases. Technologies including somatic cell nuclear transfer and cell fusion might generate such cells but are hindered by issues that might prevent them from being used clinically. Here, we describe methods to use dermal fibroblasts easily obtained from an individual human to generate human induced pluripotent stem (iPS) cells by ectopic expression of the defined transcription factors KLF4, OCT4, SOX2, and C-MYC. The resultant cell lines are morphologically indistinguishable from human embryonic stem cells (HESC) generated from the inner cell mass of a human preimplantation embryo. Consistent with these observations, human iPS cells share a nearly identical gene-expression profile with two established HESC lines. Importantly, DNA fingerprinting indicates that the human iPS cells were derived from the donor material and are not a result of contamination. Karyotypic analyses demonstrate that reprogramming of human cells by defined factors does not induce, or require, chromosomal abnormalities. Finally, we provide evidence that human iPS cells can be induced to differentiate along lineages representative of the three embryonic germ layers indicating the pluripotency of these cells. Our findings are an important step toward manipulating somatic human cells to generate an unlimited supply of patient-specific pluripotent stem cells. In the future, the use of defined factors to change cell fate may be the key to routine nuclear reprogramming of human somatic cells.

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) outwardly appear to be indistinguishable from embryonic stem cells (ESCs). A study of gene expression profiles of mouse and human ESCs and iPSCs suggests that, while iPSCs are quite similar to their embryonic counterparts, a recurrent gene expression signature appears in iPSCs regardless of their origin or the method by which they were generated. Upon extended culture, hiPSCs adopt a gene expression profile more similar to hESCs; however, they still retain a gene expression signature unique from hESCs that extends to miRNA expression. Genome-wide data suggested that the iPSC signature gene expression differences are due to differential promoter binding by the reprogramming factors. High-resolution array profiling demonstrated that there is no common specific subkaryotypic alteration that is required for reprogramming and that reprogramming does not lead to genomic instability. Together, these data suggest that iPSCs should be considered a unique subtype of pluripotent cell.

Many long non-coding RNAs (lncRNAs) affect gene expression, but the mechanisms by which they act are still largely unknown. One of the best-studied lncRNAs is Xist, which is required for transcriptional silencing of one X chromosome during development in female mammals. Despite extensive efforts to define the mechanism of Xist-mediated transcriptional silencing, we still do not know any proteins required for this role. The main challenge is that there are currently no methods to comprehensively define the proteins that directly interact with a lncRNA in the cell. Here we develop a method to purify a lncRNA from cells and identify proteins interacting with it directly using quantitative mass spectrometry. We identify ten proteins that specifically associate with Xist, three of these proteins--SHARP, SAF-A and LBR--are required for Xist-mediated transcriptional silencing. We show that SHARP, which interacts with the SMRT co-repressor that activates HDAC3, is not only essential for silencing, but is also required for the exclusion of RNA polymerase II (Pol II) from the inactive X. Both SMRT and HDAC3 are also required for silencing and Pol II exclusion. In addition to silencing transcription, SHARP and HDAC3 are required for Xist-mediated recruitment of the polycomb repressive complex 2 (PRC2) across the X chromosome. Our results suggest that Xist silences transcription by directly interacting with SHARP, recruiting SMRT, activating HDAC3, and deacetylating histones to exclude Pol II across the X chromosome.

Understanding Xist-ance Large noncoding RNAs (lncRNAs) are increasingly appreciated to play important roles in the cell. A number of lncRNAs act to target chromatin regulatory complexes to their sites of action. Engreitz et al. (p. 10.1126/science.1237973 , published online 4 July; see the Perspective by Dimond and Fraser ) found that the mouse Xist lncRNA, which initiates X-chromosome inactivation, was transferred from its site of transcription to distant sites on the X chromosome purely through their close three-dimensional proximity to the Xist gene. Xist initially localized to the periphery of active genes on the X chromosome but gradually spread across them using its A-repeat domain, until the Xist RNA bound broadly across the inactive X chromosome in differentiated female cells.

Summary

 Because of their somatic cell origin, human induced pluripotent stem cells (HiPSCs) are assumed to carry a normal diploid genome, and adaptive chromosomal aberrations have not been fully evaluated. Here, we analyzed the chromosomal integrity of 66 HiPSC and 38 human embryonic stem cell (HESC) samples from 18 different studies by global gene expression meta-analysis. We report identification of a substantial number of cell lines carrying full and partial chromosomal aberrations, half of which were validated at the DNA level. Several aberrations resulted from culture adaptation, and others are suspected to originate from the parent somatic cell. Our classification revealed a third type of aneuploidy already evident in early passage HiPSCs, suggesting considerable selective pressure during the reprogramming process. The analysis indicated high incidence of chromosome 12 duplications, resulting in significant enrichment for cell cycle-related genes. Such aneuploidy may limit the differentiation capacity and increase the tumorigenicity of HiPSCs.

Induced pluripotent stem (iPS) cells can be obtained from fibroblasts upon expression of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc. To understand how these factors induce pluripotency, we carried out genome-wide analyses of their promoter binding and expression in iPS and partially reprogrammed cells. We find that target genes of the four factors strongly overlap in iPS and embryonic stem (ES) cells. In partially reprogrammed cells, many genes co-occupied by c-Myc and any of the other three factors already show an ES cell-like binding and expression pattern. In contrast, genes that are specifically co-bound by Oct4, Sox2, and Klf4 in ES cells and encode pluripotency regulators severely lack binding and transcriptional activation. Among the four factors, c-Myc promotes the most ES cell-like transcription pattern when expressed individually in fibroblasts. These data uncover temporal and separable contributions of the four factors during the reprogramming process and indicate that ectopic c-Myc predominantly acts before pluripotency regulators are activated.