Summary

 Successful reprogramming of differentiated human somatic cells into a pluripotent state would allow creation of patient- and disease-specific stem cells. We previously reported generation of induced pluripotent stem (iPS) cells, capable of germline transmission, from mouse somatic cells by transduction of four defined transcription factors. Here, we demonstrate the generation of iPS cells from adult human dermal fibroblasts with the same four factors: Oct3/4, Sox2, Klf4, and c-Myc. Human iPS cells were similar to human embryonic stem (ES) cells in morphology, proliferation, surface antigens, gene expression, epigenetic status of pluripotent cell-specific genes, and telomerase activity. Furthermore, these cells could differentiate into cell types of the three germ layers in vitro and in teratomas. These findings demonstrate that iPS cells can be generated from adult human fibroblasts.

We report a simple method, using p53 suppression and nontransforming L-Myc, to generate human induced pluripotent stem cells (iPSCs) with episomal plasmid vectors. We generated human iPSCs from multiple donors, including two putative human leukocyte antigen (HLA)-homozygous donors who match ∼20% of the Japanese population at major HLA loci; most iPSCs are integrated transgene-free. This method may provide iPSCs suitable for autologous and allologous stem-cell therapy in the future.

The safety of induced pluripotent stem cells seems to depend on how they were generated. Miura et al. examine the effects of the c-myc transgene, tissue of origin and selection method on the tumor-forming propensity of iPS-cell derivatives. We evaluated the teratoma-forming propensity of secondary neurospheres (SNS) generated from 36 mouse induced pluripotent stem (iPS) cell lines derived in 11 different ways. Teratoma-formation of SNS from embryonic fibroblast–derived iPS cells was similar to that of SNS from embryonic stem (ES) cells. In contrast, SNS from iPS cells derived from different adult tissues varied substantially in their teratoma-forming propensity, which correlated with the persistence of undifferentiated cells.

The cerebellum is important for the integration of sensory perception and motor control, but its structure has mostly been studied in mammals. Here, we describe the cell types and neural tracts of the adult zebrafish cerebellum using molecular markers and transgenic lines. Cerebellar neurons are categorized to two major groups: GABAergic and glutamatergic neurons. The Purkinje cells, which are GABAergic neurons, express parvalbumin7, carbonic anhydrase 8, and aldolase C like (zebrin II). The glutamatergic neurons are vglut1+ granule cells and vglut2high cells, which receive Purkinje cell inputs; some vglut2high cells are eurydendroid cells, which are equivalent to the mammalian deep cerebellar nuclei. We found olig2+ neurons in the adult cerebellum and ascertained that at least some of them are eurydendroid cells. We identified markers for climbing and mossy afferent fibers, efferent fibers, and parallel fibers from granule cells. Furthermore, we found that the cerebellum-like structures in the optic tectum and antero-dorsal hindbrain show similar Parvalbumin7 and Vglut1 expression profiles as the cerebellum. The differentiation of GABAergic and glutamatergic neurons begins 3 days post-fertilization (dpf), and layers are first detectable 5 dpf. Using anti-Parvalbumin7 and Vglut1 antibodies to label Purkinje cells and granule cell axons, respectively, we screened for mutations affecting cerebellar neuronal development and the formation of neural tracts. Our data provide a platform for future studies of zebrafish cerebellar development.

Significance In this study, we found that human endogenous retoriviruses type-H (HERV-Hs) are transiently hyperactivated during reprogramming toward induced pluripotent stem cells (iPSCs) and play important roles in this process. However, when reprogramming is complete and cells acquire full pluripotency, HERV-H activity should decrease to levels comparable with those in embryonic stem cells because failure to resilence this activity leads to the differentiation-defective phenotype in neural lineage. We also found that during reprogramming, reprogramming factors, including POU class 5 homeobox 1 (OCT3/4), sex determining region Y-box 2 (SOX2), and Krüppel-like factor 4 (KLF4) (OSK) bind to and activate long-terminal repeats of HERV-Hs. KLF4 possibly precludes Tripartite motif containing 28 and recruits not only OCT3/4 and SOX2, but also E1A binding protein p300 (p300) histone acethyltransferase on HERV-H loci. Therefore, OKSM-induced HERV-H activation constitutes an unanticipated and critical mechanism for iPSC formation.

Gene editing in induced pluripotent stem (iPS) cells has been hailed to enable new cell therapies for various monogenetic diseases including dystrophic epidermolysis bullosa (DEB). However, manufacturing, efficacy and safety roadblocks have limited the development of genetically corrected, autologous iPS cell-based therapies.We developed Dystrophic Epidermolysis Bullosa Cell Therapy (DEBCT), a new generation GMP-compatible (cGMP), reproducible, and scalable platform to produce autologous clinical-grade iPS cell-derived organotypic induced skin composite (iSC) grafts to treat incurable wounds of patients lacking type VII collagen (C7). DEBCT uses a combined high-efficiency reprogramming and CRISPR-based genetic correction single step to generate genome scar-free, COL7A1 corrected clonal iPS cells from primary patient fibroblasts. Validated iPS cells are converted into epidermal, dermal and melanocyte progenitors with a novel 2D organoid differentiation protocol, followed by CD49f enrichment and expansion to minimize maturation heterogeneity. iSC product characterization by single cell transcriptomics was followed by mouse xenografting for disease correcting activity at 1 month and toxicology analysis at 1-6 months. Culture-acquired mutations, potential CRISPR-off targets, and cancer-driver variants were evaluated by targeted and whole genome sequencing.iPS cell-derived iSC grafts were reproducibly generated from four recessive DEB patients with different pathogenic mutations. Organotypic iSC grafts onto immune-compromised mice developed into stable stratified skin with functional C7 restoration. Single cell transcriptomic characterization of iSCs revealed prominent holoclone stem cell signatures in keratinocytes and the recently described Gibbin-dependent signature in dermal fibroblasts. The latter correlated with enhanced graftability. Multiple orthogonal sequencing and subsequent computational approaches identified random and non-oncogenic mutations introduced by the manufacturing process. Toxicology revealed no detectable tumors after 3-6 months in DEBCT-treated mice.DEBCT successfully overcomes previous roadblocks and represents a robust, scalable, and safe cGMP manufacturing platform for production of a CRISPR-corrected autologous organotypic skin graft to heal DEB patient wounds.

Abstract We present Dystrophic Epidermolysis Bullosa Cell Therapy (DEBCT), a scalable platform producing autologous organotypic iPS cell-derived induced skin composite (iSC) grafts for definitive treatment. Clinical-grade manufacturing integrates CRISPR-mediated genetic correction with reprogramming into one step, accelerating derivation of COL7A1 -edited iPS cells from patients. Differentiation into epidermal, dermal and melanocyte progenitors is followed by CD49f-enrichment, minimizing maturation heterogeneity. Mouse xenografting of iSCs from four patients with different mutations demonstrates disease modifying activity at 1 month. Next-generation sequencing, biodistribution and tumorigenicity assays establish a favorable safety profile at 1-9 months. Single cell transcriptomics reveals that iSCs are composed of the major skin cell lineages and include prominent holoclone stem cell-like signatures of keratinocytes, and the recently described Gibbin-dependent signature of fibroblasts. The latter correlates with enhanced graftability of iSCs. In conclusion, DEBCT overcomes manufacturing and safety roadblocks and establishes a reproducible, safe, and cGMP-compatible therapeutic approach to heal lesions of DEB patients.

Long noncoding RNAs (lncRNAs) have been shown to act as important cell biological regulators including cell fate decisions but are often ignored in human genetics. Combining differential lncRNA expression during neuronal lineage induction with copy number variation morbidity maps of a cohort of children with autism spectrum disorder/intellectual disability versus healthy controls revealed focal genomic mutations affecting several lncRNA candidate loci. Here we find that a t(5:12) chromosomal translocation in a family manifesting neurodevelopmental symptoms disrupts specifically lnc-NR2F1. We further show that lnc-NR2F1 is an evolutionarily conserved lncRNA functionally enhances induced neuronal cell maturation and directly occupies and regulates transcription of neuronal genes including autism-associated genes. Thus, integrating human genetics and functional testing in neuronal lineage induction is a promising approach for discovering candidate lncRNAs involved in neurodevelopmental diseases.

Abstract Standard methods for the creation of neuronal cells via direct induction from primary tissue use perinatal fibroblasts, which hinders the important study of patient specific genetic lesions such as those underlying neuropsychiatric disorders. To address this we developed a novel method for the direct induction of neuronal cells (induced neuronal cells, iN cells) from adult human fibroblast cells. Reprogramming fibroblasts into iN cells via recombinant virus resulted in cells that stain for markers such as MAP2 and PSA-NCAM and exhibit electrophysiological properties such as action potentials and voltage dependent sodium- and potassium currents that reveal a neuronal phenotype. Transcriptome and chromatin analysis using RNA-Seq, microRNA-Seq and ATAC-Seq, respectively, further confirm neuronal character. 22q11.2 Deletion-Syndrome (22q11DS) is caused by a large 3 million base-pair heterozygous deletion on human chromosome 22 and is strongly associated with neurodevelopmental, neuropsychiatric phenotypes such as schizophrenia and autism. We leverage the direct-iN cell model for the study of genetic neurodevelopmental conditions by presenting gene-by-gene as well as networkwide effects of the 22q11DS deletion on gene expression in human neuronal cells, on several levels of functional genomics analysis. Some of the genes within the 22q11DS deletion boundary exhibit unexpected cell-type-specific changes in transcript levels, and genome-wide we can detect dysregulation of calcium channel subunit genes and other genes known to be involved in autism or schizophrenia, such as NRXN1, as well synaptic pathways. This genome-wide effect on gene expression can also be observed at the microRNA and chromatin levels, showing that the iN cells have indeed converted to a neuronal phenotype at several regulatory levels: chromatin, protein-coding RNAs and microRNAs, revealing relevant disease pathways and genes. We present this model of inducing neurons from fibroblasts as a useful general resource to study the genetic and molecular basis of normal and abnormal brain development and brain function.