Embryonic stem (ES) cells are lines of cells that are isolated from blastocysts. The murine ES cells were demonstrated to be true pluripotent cells as they differentiate into all embryonic lineages. Yet, in vitro differentiation of rhesus ES cells was somewhat inconsistent and disorganized. The recent isolation of human ES cells calls for exploring their pluripotential nature. Human ES cells were grown in suspension to induce their differentiation into embryoid bodies (EBs). The differentiation status of the human ES cells and EBs was analyzed by following the expression pattern of several lineage-specific molecular markers using reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and in situ hybridization. Here we report the induction in vitro of cystic embryoid bodies from human ES cells. Our findings demonstrate induction of expression of cell-specific genes during differentiation of the human ES cells into EBs. In the human EBs, we could show a characteristic regional expression of embryonic markers specific to different cellular lineages, namely, ζ-globin (mesoderm), neurofilament 68Kd (ectoderm), and α-fetoprotein (endoderm). Moreover, we present a synchronously pulsing embryoid body that expresses the myocardium marker α-cardiac actin. In addition, dissociating the embryoid bodies and plating the cells as monolayers results in multiple morphologies, among them cells with neuronal appearance that express neurofilament 68Kd chain. Human ES cells can reproducibly differentiate in vitro into EBs comprising the three embryonic germ layers. The ability to induce formation of human embryoid bodies that contain cells of neuronal, hematopoietic and cardiac origins will be useful in studying early human embryonic development as well as in transplantation medicine.

Making Connections Endoplasmic reticulum (ER)–mitochondria connections have been implicated in many physiological processes, including calcium homeostasis, signaling, membrane biogenesis, and apoptosis. Kornmann et al. (p. 477 , published online 25 June; see the Perspective by Wiedemann et al. ) looked for a proteinaceous link between the ER and mitochondria and, using combinations of synthetic biology and classical yeast genetics, found a protein complex that tethers the two organelles. A large-scale genetic interaction map suggests that these ER-mitochondria connections are important for interorganellar phospholipid exchange.

Human embryonic stem (ES) cells are pluripotent cells derived from the inner cell mass of in vitro fertilized human blastocysts. We examined the potential of eight growth factors [basic fibroblast growth factor (bFGF), transforming growth factor β1 (TGF-β1), activin-A, bone morphogenic protein 4 (BMP-4), hepatocyte growth factor (HGF), epidermal growth factor (EGF), β nerve growth factor (βNGF), and retinoic acid] to direct the differentiation of human ES-derived cells in vitro . We show that human ES cells that have initiated development as aggregates (embryoid bodies) express a receptor for each of these factors, and that their effects are evident by differentiation into cells with different epithelial or mesenchymal morphologies. Differentiation of the cells was assayed by expression of 24 cell-specific molecular markers that cover all embryonic germ layers and 11 different tissues. Each growth factor has a unique effect that may result from directed differentiation and/or cell selection, and we can divide the overall effects of the factors into three categories: growth factors (Activin-A and TGFβ1) that mainly induce mesodermal cells; factors (retinoic acid, EGF, BMP-4, and bFGF) that activate ectodermal and mesodermal markers; and factors (NGF and HGF) that allow differentiation into the three embryonic germ layers, including endoderm. None of the growth factors directs differentiation exclusively to one cell type. This analysis sets the stage for directing differentiation of human ES cells in culture and indicates that multiple human cell types may be enriched in vitro by specific factors.

We present a strategy for generating and analyzing comprehensive genetic-interaction maps, termed E-MAPs (epistatic miniarray profiles), comprising quantitative measures of aggravating or alleviating interactions between gene pairs. Crucial to the interpretation of E-MAPs is their high-density nature made possible by focusing on logically connected gene subsets and including essential genes. Described here is the analysis of an E-MAP of genes acting in the yeast early secretory pathway. Hierarchical clustering, together with novel analytical strategies and experimental verification, revealed or clarified the role of many proteins involved in extensively studied processes such as sphingolipid metabolism and retention of HDEL proteins. At a broader level, analysis of the E-MAP delineated pathway organization and components of physical complexes and illustrated the interconnection between the various secretory processes. Extension of this strategy to other logically connected gene subsets in yeast and higher eukaryotes should provide critical insights into the functional/organizational principles of biological systems.

The yeast histone deacetylase Rpd3 can be recruited to promoters to repress transcription initiation. Biochemical, genetic, and gene-expression analyses show that Rpd3 exists in two distinct complexes. The smaller complex, Rpd3C(S), shares Sin3 and Ume1 with Rpd3C(L) but contains the unique subunits Rco1 and Eaf3. Rpd3C(S) mutants exhibit phenotypes remarkably similar to those of Set2, a histone methyltransferase associated with elongating RNA polymerase II. Chromatin immunoprecipitation and biochemical experiments indicate that the chromodomain of Eaf3 recruits Rpd3C(S) to nucleosomes methylated by Set2 on histone H3 lysine 36, leading to deacetylation of transcribed regions. This pathway apparently acts to negatively regulate transcription because deleting the genes for Set2 or Rpd3C(S) bypasses the requirement for the positive elongation factor Bur1/Bur2.

Protein folding in the endoplasmic reticulum is a complex process whose malfunction is implicated in disease and aging. By using the cell's endogenous sensor (the unfolded protein response), we identified several hundred yeast genes with roles in endoplasmic reticulum folding and systematically characterized their functional interdependencies by measuring unfolded protein response levels in double mutants. This strategy revealed multiple conserved factors critical for endoplasmic reticulum folding, including an intimate dependence on the later secretory pathway, a previously uncharacterized six-protein transmembrane complex, and a co-chaperone complex that delivers tail-anchored proteins to their membrane insertion machinery. The use of a quantitative reporter in a comprehensive screen followed by systematic analysis of genetic dependencies should be broadly applicable to functional dissection of complex cellular processes from yeast to human.

Human embryonic stem (ES) cells are pluripotent cells that may be used in transplantation medicine. These cells can be induced to differentiate into cells from the three embryonic germ layers both in vivo and in vitro . To determine whether human ES cells might be rejected after transplantation, we examined cell surface expression of the MHC proteins in these cells. Our results show very low expression levels of MHC class I (MHC-I) proteins on the surface of human ES cells that moderately increase on in vitro or in vivo differentiation. A dramatic induction of MHC-I proteins was observed when the cells were treated with IFN-γ but not with IFN-α or -β. However, all three IFNs induced expression of MHC-I proteins in differentiated human ES cells. MHC-II proteins and HLA-G were not expressed on the surface of undifferentiated or differentiated cells. Ligands for natural killer cell receptors were either absent or expressed in very low levels in human ES cells and in their differentiated derivatives. In accordance, natural killer cytotoxic assays demonstrated only limited lysis of both undifferentiated and differentiated cells. To initiate a histocompatibility databank of human ES cells, we have isotyped several of the published ES cell lines for their human leukocyte antigens. In conclusion, our results demonstrate that human ES cells can express high levels of MHC-I proteins and thus may be rejected on transplantation.

To increase the range and precision of genetic interaction studies in Saccharomyces cerevisiae, a collection of hypomorphic alleles of essential yeast genes and a highly sensitive flow cytometry–based growth competition assay are presented. Also in this issue, Yan et al. present a similar strain collection, tagged with unique bar-code identifiers, and use this collection in pooled chemical genetic screens. Functional genomic studies in Saccharomyces cerevisiae have contributed enormously to our understanding of cellular processes. Their full potential, however, has been hampered by the limited availability of reagents to systematically study essential genes and the inability to quantify the small effects of most gene deletions on growth. Here we describe the construction of a library of hypomorphic alleles of essential genes and a high-throughput growth competition assay to measure fitness with unprecedented sensitivity. These tools dramatically increase the breadth and precision with which quantitative genetic analysis can be performed in yeast. We illustrate the value of these approaches by using genetic interactions to reveal new relationships between chromatin-modifying factors and to create a functional map of the proteasome. Finally, by measuring the fitness of strains in the yeast deletion library, we addressed an enigma regarding the apparent prevalence of gene dispensability and found that most genes do contribute to growth.

Tail-anchored (TA) proteins, defined by the presence of a single C-terminal transmembrane domain (TMD), play critical roles throughout the secretory pathway and in mitochondria, yet the machinery responsible for their proper membrane insertion remains poorly characterized. Here we show that Get3, the yeast homolog of the TA-interacting factor Asna1/Trc40, specifically recognizes TMDs of TA proteins destined for the secretory pathway. Get3 recognition represents a key decision step, whose loss can lead to misinsertion of TA proteins into mitochondria. Get3-TA protein complexes are recruited for endoplasmic reticulum (ER) membrane insertion by the Get1/Get2 receptor. In vivo, the absence of Get1/Get2 leads to cytosolic aggregation of Get3-TA complexes and broad defects in TA protein biogenesis. In vitro reconstitution demonstrates that the Get proteins directly mediate insertion of newly synthesized TA proteins into ER membranes. Thus, the GET complex represents a critical mechanism for ensuring efficient and accurate targeting of TA proteins.