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.

α-Synuclein and Aging Transgenic α-synuclein can reverse the otherwise lethal neurodegeneration of cysteine string protein-α knockout mice via changes in SNARE proteins, which mediate synaptic vesicle release. Using experiments with purified recombinant proteins, triple αβγ-synuclein knockout mice, and studies of mouse aging, Burré et al. (p. 1663 , published online 26 August) now demonstrate that α-synuclein directly interacts with the SNARE protein synaptobrevin and functions as a catalyst for SNARE-complex assembly. The role of synucleins is fully dispensable in young animals, but becomes essential late in life, which suggests that α-synuclein maintains normal synaptic function during aging.

Mice carrying a mutation in the synaptotagmin I gene were generated by homologous recombination. Mutant mice are phenotypically normal as heterozygotes, but die within 48 hr after birth as homozygotes. Studies of hippocampal neurons cultured from homozygous mutant mice reveal that synaptic transmission is severely impaired. The synchronous, fast component of Ca2+-dependent neurotransmitter release is decreased, whereas asynchronous release processes, including spontaneous synaptic activity (miniature excitatory postsynaptic current frequency) and release triggered by hypertonic solution or α-latrotoxin, are unaffected. Our findings demonstrate that synaptotagmin I function is required for Ca2+-triggering of synchronous neurotransmitter release, but is not essential for asynchronous or Ca2+-independent release. We propose that synaptotagmin I is the major low affinity Ca2+ sensor mediating Ca2+ regulation of synchronous neurotransmitter release in hippocampal neurons.

Brain function requires precisely orchestrated connectivity between neurons. Establishment of these connections is believed to require signals secreted from outgrowing axons, followed by synapse formation between selected neurons. Deletion of a single protein, Munc18-1, in mice leads to a complete loss of neurotransmitter secretion from synaptic vesicles throughout development. However, this does not prevent normal brain assembly, including formation of layered structures, fiber pathways, and morphologically defined synapses. After assembly is completed, neurons undergo apoptosis, leading to widespread neurodegeneration. Thus, synaptic connectivity does not depend on neurotransmitter secretion, but its maintenance does. Neurotransmitter secretion probably functions to validate already established synaptic connections.

Schizophrenia has a heritability of 60–80%1, much of which is attributable to common risk alleles. Here, in a two-stage genome-wide association study of up to 76,755 individuals with schizophrenia and 243,649 control individuals, we report common variant associations at 287 distinct genomic loci. Associations were concentrated in genes that are expressed in excitatory and inhibitory neurons of the central nervous system, but not in other tissues or cell types. Using fine-mapping and functional genomic data, we identify 120 genes (106 protein-coding) that are likely to underpin associations at some of these loci, including 16 genes with credible causal non-synonymous or untranslated region variation. We also implicate fundamental processes related to neuronal function, including synaptic organization, differentiation and transmission. Fine-mapped candidates were enriched for genes associated with rare disruptive coding variants in people with schizophrenia, including the glutamate receptor subunit GRIN2A and transcription factor SP4, and were also enriched for genes implicated by such variants in neurodevelopmental disorders. We identify biological processes relevant to schizophrenia pathophysiology; show convergence of common and rare variant associations in schizophrenia and neurodevelopmental disorders; and provide a resource of prioritized genes and variants to advance mechanistic studies. A genome-wide association study including over 76,000 individuals with schizophrenia and over 243,000 control individuals identifies common variant associations at 287 genomic loci, and further fine-mapping analyses highlight the importance of genes involved in synaptic processes.

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.

Three papers in this issue demonstrate the production of functional induced neuronal (iN) cells from human fibroblasts, a procedure that holds great promise for regenerative medicine. Pang et al. show that a combination of the three transcription factors Ascl1 (also known as Mash1), Brn2 (or Pou3f2) and Myt1l greatly enhances the neuronal differentiation of human embryonic stem cells. When combined with the basic helix–loop–helix transcription factor NeuroD1, these factors can also convert fetal and postnatal human fibroblasts into iN cells. Caiazzo et al. use a cocktail of three transcription factors to convert prenatal and adult mouse and human fibroblasts into functional dopaminergic neurons. The three are Mash1, Nurr1 (or Nr4a2) and Lmx1a. Conversion is direct with no reversion to a progenitor cell stage, and it occurs in cells from Parkinson's disease patients as well as from healthy donors. Yoo et al. use an alternative approach. They show that microRNAs can have an instructive role in neural fate determination. Expression of miR-9/9* and miR-124 in human fibroblasts induces their conversion into functional neurons, and the process is facilitated by the addition of some neurogenic transcription factors. Somatic cell nuclear transfer, cell fusion, or expression of lineage-specific factors have been shown to induce cell-fate changes in diverse somatic cell types1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. We recently observed that forced expression of a combination of three transcription factors, Brn2 (also known as Pou3f2), Ascl1 and Myt1l, can efficiently convert mouse fibroblasts into functional induced neuronal (iN) cells13. Here we show that the same three factors can generate functional neurons from human pluripotent stem cells as early as 6 days after transgene activation. When combined with the basic helix–loop–helix transcription factor NeuroD1, these factors could also convert fetal and postnatal human fibroblasts into iN cells showing typical neuronal morphologies and expressing multiple neuronal markers, even after downregulation of the exogenous transcription factors. Importantly, the vast majority of human iN cells were able to generate action potentials and many matured to receive synaptic contacts when co-cultured with primary mouse cortical neurons. Our data demonstrate that non-neural human somatic cells, as well as pluripotent stem cells, can be converted directly into neurons by lineage-determining transcription factors. These methods may facilitate robust generation of patient-specific human neurons for in vitro disease modelling or future applications in regenerative medicine.

Neurons release neurotransmitters by calcium-dependent exocytosis of synaptic vesicles. However, the molecular steps transducing the calcium signal into membrane fusion are still an enigma. It is reported here that synaptotagmin, a highly conserved synaptic vesicle protein, binds calcium at physiological concentrations in a complex with negatively charged phospholipids. This binding is specific for calcium and involves the cytoplasmic domain of synaptotagmin. Calcium binding is dependent on the intact oligomeric structure of synaptotagmin (it is abolished by proteolytic cleavage at a single site). These results suggest that synaptotagmin acts as a cooperative calcium receptor in exocytosis.

Autism spectrum disorders (ASDs) are characterized by impairments in social behaviors that are sometimes coupled to specialized cognitive abilities. A small percentage of ASD patients carry mutations in genes encoding neuroligins, which are postsynaptic cell-adhesion molecules. We introduced one of these mutations into mice: the Arg451-->Cys451 (R451C) substitution in neuroligin-3. R451C mutant mice showed impaired social interactions but enhanced spatial learning abilities. Unexpectedly, these behavioral changes were accompanied by an increase in inhibitory synaptic transmission with no apparent effect on excitatory synapses. Deletion of neuroligin-3, in contrast, did not cause such changes, indicating that the R451C substitution represents a gain-of-function mutation. These data suggest that increased inhibitory synaptic transmission may contribute to human ASDs and that the R451C knockin mice may be a useful model for studying autism-related behaviors.