Summary

 Induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from somatic cells of patients represent a powerful tool for biomedical research and may provide a source for replacement therapies. However, the use of viruses encoding the reprogramming factors represents a major limitation of the current technology since even low vector expression may alter the differentiation potential of the iPSCs or induce malignant transformation. Here, we show that fibroblasts from five patients with idiopathic Parkinson's disease can be efficiently reprogrammed and subsequently differentiated into dopaminergic neurons. Moreover, we derived hiPSCs free of reprogramming factors using Cre-recombinase excisable viruses. Factor-free hiPSCs maintain a pluripotent state and show a global gene expression profile, more closely related to hESCs than to hiPSCs carrying the transgenes. Our results indicate that residual transgene expression in virus-carrying hiPSCs can affect their molecular characteristics and that factor-free hiPSCs therefore represent a more suitable source of cells for modeling of human disease.

Transcription activator–like effector nucleases (TALENs) are a new technology for modifying the genome at specific loci of interest. Hockemeyer et al. now demonstrate the utility of TALENs for gene targeting in human pluripotent stem cells. Targeted genetic engineering of human pluripotent cells is a prerequisite for exploiting their full potential. Such genetic manipulations can be achieved using site-specific nucleases. Here we engineered transcription activator–like effector nucleases (TALENs) for five distinct genomic loci. At all loci tested we obtained human embryonic stem cell (ESC) and induced pluripotent stem cell (iPSC) clones carrying transgenic cassettes solely at the TALEN-specified location. Our data suggest that TALENs employing the specific architectures described here mediate site-specific genome modification in human pluripotent cells with similar efficiency and precision as do zinc-finger nucleases (ZFNs).

Hockemeyer et al. demonstrate targeted genetic modification of three genes in human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells using zinc-finger nucleases delivered on plasmids. They use the approach to generate a reporter cell line that monitors the pluripotent state, a drug-inducible overexpression system, and a reporter cell line for a gene that is not expressed in pluripotent stem cells. Realizing the full potential of human embryonic stem cells (hESCs) and induced pluripotent stem cells (hiPSCs) requires efficient methods for genetic modification. However, techniques to generate cell type–specific lineage reporters, as well as reliable tools to disrupt, repair or overexpress genes by gene targeting, are inefficient at best and thus are not routinely used. Here we report the highly efficient targeting of three genes in human pluripotent cells using zinc-finger nuclease (ZFN)–mediated genome editing. First, using ZFNs specific for the OCT4 (POU5F1) locus, we generated OCT4-eGFP reporter cells to monitor the pluripotent state of hESCs. Second, we inserted a transgene into the AAVS1 locus to generate a robust drug-inducible overexpression system in hESCs. Finally, we targeted the PITX3 gene, demonstrating that ZFNs can be used to generate reporter cells by targeting non-expressed genes in hESCs and hiPSCs.

Telomeres protect chromosome ends through the interaction of telomeric repeats with shelterin, a protein complex that represses DNA damage signaling and DNA repair reactions. The telomeric repeats are maintained by telomerase, which solves the end replication problem. We report that the TTAGGG repeat arrays of mammalian telomeres pose a challenge to the DNA replication machinery, giving rise to replication-dependent defects that resemble those of aphidicolin-induced common fragile sites. Gene deletion experiments showed that efficient duplication of telomeres requires the shelterin component TRF1. Without TRF1, telomeres activate the ATR kinase in S phase and show a fragile-site phenotype in metaphase. Single-molecule analysis of replicating telomeres showed that TRF1 promotes efficient replication of TTAGGG repeats and prevents fork stalling. Two helicases implicated in the removal of G4 DNA structures, BLM and RTEL1, were required to repress the fragile-telomere phenotype. These results identify a second telomere replication problem that is solved by the shelterin component TRF1.

Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived from somatic cells provide a unique tool for the study of human disease, as well as a promising source for cell replacement therapies. One crucial limitation has been the inability to perform experiments under genetically defined conditions. This is particularly relevant for late age onset disorders in which in vitro phenotypes are predicted to be subtle and susceptible to significant effects of genetic background variations. By combining zinc finger nuclease (ZFN)-mediated genome editing and iPSC technology, we provide a generally applicable solution to this problem, generating sets of isogenic disease and control human pluripotent stem cells that differ exclusively at either of two susceptibility variants for Parkinson's disease by modifying the underlying point mutations in the α-synuclein gene. The robust capability to genetically correct disease-causing point mutations in patient-derived hiPSCs represents significant progress for basic biomedical research and an advance toward hiPSC-based cell replacement therapies.

Continuing the resolution revolution The living cell contains dynamic, spatially complex subassemblies that are sensitive to external perturbations. To minimize such perturbations, cells should be imaged in their native multicellular environments, under as gentle illumination as possible. However, achieving the spatiotemporal resolution needed to follow three-dimensional subcellular processes in detail under these conditions is challenging: Sample-induced aberrations degrade resolution and sensitivity, and high resolution usually requires intense excitation. Liu et al. combined noninvasive lattice light-sheet microscopy with aberration-correcting adaptive optics to study a variety of delicate subcellular events in vivo, including organelle remodeling during mitosis and growth cone dynamics during spinal cord development. Science , this issue p. eaaq1392

Myocardin is a SAP (SAF-A/B, Acinus, PIAS) domain transcription factor that associates with serum response factor (SRF) to potently enhance SRF-dependent transcription. Here we describe two myocardin-related transcription factors (MRTFs), A and B, that also interact with SRF and stimulate its transcriptional activity. Whereas myocardin is expressed specifically in cardiac and smooth muscle cells, MRTF-A and -B are expressed in numerous embryonic and adult tissues. In SRF-deficient embryonic stem cells, myocardin and MRTFs are unable to activate SRF-dependent reporter genes, confirming their dependence on SRF. Myocardin and MRTFs comprise a previously uncharacterized family of SRF cofactors with the potential to modulate SRF target genes in a wide range of tissues.

Recent advances in deriving induced pluripotent stem (iPS) cells from patients offer new possibilities for biomedical research and clinical applications, as these cells could be used for autologous transplantation. We differentiated iPS cells from patients with Parkinson's disease (PD) into dopaminergic (DA) neurons and show that these DA neurons can be transplanted without signs of neurodegeneration into the adult rodent striatum. The PD patient iPS (PDiPS) cell-derived DA neurons survived at high numbers, showed arborization, and mediated functional effects in an animal model of PD as determined by reduction of amphetamine- and apomorphine-induced rotational asymmetry, but only a few DA neurons projected into the host striatum at 16 wk after transplantation. We next applied FACS for the neural cell adhesion molecule NCAM on differentiated PDiPS cells before transplantation, which resulted in surviving DA neurons with functional effects on amphetamine-induced rotational asymmetry in a 6-OHDA animal model of PD. Morphologically, we found that PDiPS cell-derived non-DA neurons send axons along white matter tracts into specific close and remote gray matter target areas in the adult brain. Such findings establish the transplantation of human PDiPS cell-derived neurons as a long-term in vivo method to analyze potential disease-related changes in a physiological context. Our data also demonstrate proof of principle of survival and functional effects of PDiPS cell-derived DA neurons in an animal model of PD and encourage further development of differentiation protocols to enhance growth and function of implanted PDiPS cell-derived DA neurons in regard to potential therapeutic applications.

Human telomere length is controlled by a negative feedback loop based on the binding of TRF1 to double-stranded telomeric DNA. The TRF1 complex recruits POT1, a single-stranded telomeric DNA-binding protein necessary for cis -inhibition of telomerase. By mass spectrometry, we have identified a new telomeric protein, which we have named POT1-interacting protein 1 (PIP1). PIP1 bound both POT1 and the TRF1-interacting factor TIN2 and could tether POT1 to the TRF1 complex. Reduction of PIP1 or POT1 levels with shRNAs led to telomere elongation, indicating that PIP1 contributes to telomere length control through recruitment of POT1.