Abstract Human mesenchymal stem cells (hMSCs) represent promising tools in various clinical applications, including the regeneration of injured tissues by endogenous or transplanted hMSCs. The molecular mechanisms, however, that control hMSC mobilization and homing which require invasion through extracellular matrix (ECM) barriers are almost unknown. We have analyzed bone marrow–derivedhMSCs and detected strong expression and synthesis of matrix metalloproteinase 2 (MMP-2), membrane type 1 MMP (MT1-MMP), tissue inhibitor of metalloproteinase 1 (TIMP-1), and TIMP-2. The ability of hMSCs to traverse reconstituted human basement membranes was effectively blocked in the presence of synthetic MMP inhibitors. Detailed studies by RNA interference revealed that gene knock-down of MMP-2, MT1-MMP, or TIMP-2 substantially impaired hMSC invasion, whereas silencing of TIMP-1 enhanced cell migration, indicating opposing roles of both TIMPs in this process. Moreover, the inflammatory cytokines TGF-β1, IL-1β, and TNF-α up-regulated MMP-2, MT1-MMP, and/or MMP-9 production in these cells, resulting in a strong stimulation of chemotactic migration through ECM, whereas the chemokine SDF-1α exhibited minor effects on MMP/TIMP expression and cell invasion. Thus, induction of specific MMP activity in hMSCs by inflammatory cytokines promotes directed cell migration across reconstituted basement membranes in vitro providing a potential mechanism in hMSC recruitment and extravasation into injured tissues in vivo.

Despite the widespread interest in direct neuronal reprogramming, the mechanisms underpinning fate conversion remain largely unknown. Our study revealed a critical time point after which cells either successfully convert into neurons or succumb to cell death. Co-transduction with Bcl-2 greatly improved negotiation of this critical point by faster neuronal differentiation. Surprisingly, mutants with reduced or no affinity for Bax demonstrated that Bcl-2 exerts this effect by an apoptosis-independent mechanism. Consistent with a caspase-independent role, ferroptosis inhibitors potently increased neuronal reprogramming by inhibiting lipid peroxidation occurring during fate conversion. Genome-wide expression analysis confirmed that treatments promoting neuronal reprogramming elicit an anti-oxidative stress response. Importantly, co-expression of Bcl-2 and anti-oxidative treatments leads to an unprecedented improvement in glial-to-neuron conversion after traumatic brain injury in vivo, underscoring the relevance of these pathways in cellular reprograming irrespective of cell type in vitro and in vivo.

SummaryReprogramming of somatic cells into neurons provides a new approach toward cell-based therapy of neurodegenerative diseases. A major challenge for the translation of neuronal reprogramming into therapy is whether the adult human brain contains cell populations amenable to direct somatic cell conversion. Here we show that cells from the adult human cerebral cortex expressing pericyte hallmarks can be reprogrammed into neuronal cells by retrovirus-mediated coexpression of the transcription factors Sox2 and Mash1. These induced neuronal cells acquire the ability of repetitive action potential firing and serve as synaptic targets for other neurons, indicating their capability of integrating into neural networks. Genetic fate-mapping in mice expressing an inducible Cre recombinase under the tissue-nonspecific alkaline phosphatase promoter corroborated the pericytic origin of the reprogrammed cells. Our results raise the possibility of functional conversion of endogenous cells in the adult human brain to induced neuronal fates.Graphical abstractGraphical AbstractHighlights► Neuronal reprogramming of adult human brain pericytes using Sox2 and Mash1 ► Mouse genetic fate mapping confirms the pericyte origin of the converted cells ► Pericyte-derived induced neuronal cells (PdiNs) demonstrate neuronal excitability

SUMMARY Neuronal cell diversity is essential to endow distinct brain regions with specific functions. During development, progenitors within these regions are characterised by specific gene expression programs, contributing to the generation of diversity in postmitotic neurons and glia. While the region-specific molecular diversity of neurons and astrocytes is increasingly understood, whether these cells share region-specific programs remains unknown. Here, we show that in the neocortex and thalamus, neurons and astrocytes express shared region-specific transcriptional and epigenetic signatures. These signatures not only distinguish cells across brain regions but are also detected across substructures within regions, such as distinct thalamic nuclei, where clonal analysis revealed the existence of common nucleus-specific progenitors for neurons and glia. Consistent with their shared molecular signature, regional specificity was maintained following astrocyte-to-neuron reprogramming. A detailed understanding of these regional-specific signatures may thus inform strategies for future cell-based brain repair.

Cellular reprogramming of mammalian glia to an induced neuronal fate holds potential for restoring diseased brain circuits. While the proneural factor Ascl1 is widely used for neuronal reprogramming, in the early postnatal mouse cortex Ascl1 fails to induce glia-to-neuron conversion, instead promoting proliferation of oligodendrocyte progenitor cells (OPC). Since Ascl1 activity is post-translationally regulated, here we investigated the consequences of mutating six serine phospho-acceptor sites to alanine (Ascl1SA6) on lineage reprogramming in vivo. Ascl1SA6 exhibited increased neurogenic activity in glia of the early postnatal mouse cortex, an effect enhanced by co-expression of Bcl2. Genetic fate-mapping revealed that most induced neurons originated from astrocytes while only a few derived from OPCs. Intriguingly, many Ascl1SA6/Bcl2-induced neurons expressed parvalbumin and were capable of high-frequency action potential firing. Our study demonstrates authentic conversion of astroglia into neurons featuring subclass hallmarks of cortical interneurons, advancing our scope of engineering neuronal fates in the brain.

While the adult subependymal zone (SEZ) harbors pools of distinct neural stem cells that generate different types of GABAergic interneurons, a small progenitor population in the dorsal SEZ expresses Neurog2 and gives rise to glutamatergic neurons. Here we investigated whether SEZ progenitors can be programmed towards glutamatergic neurogenesis through forced expression of Neurog2. Retrovirus-mediated expression of Neurog2 induced the glutamatergic neuron lineage markers Tbr2 and Tbr1 in cultured SEZ progenitors which subsequently differentiated into functional glutamatergic neurons. Likewise, retrovirus-mediated expression of Neurog2 in dividing SEZ progenitors within the adult SEZ induced Tbr2 and Tbr1 expression, hallmarking entry into the glutamatergic lineage also in vivo. Intriguingly, Neurog2-expressing progenitors failed to enter the rostral migratory stream (RMS) and instead differentiated directly within the SEZ or the adjacent striatum. In sharp contrast, lentivirus-mediated postmitotic expression of Neurog2 failed to reprogram early SEZ neurons, which instead maintained their GABAergic identity and migrated along the RMS towards the olfactory bulb. Thus, our data show that Neurog2 can program SEZ progenitors towards a glutamatergic identity, but fails to reprogram their postmitotic progeny.

Summary While random X-chromosome inactivation in female cells of placental mammalians silences one allele of the majority of X-chromosomal genes, a considerable fraction is only incompletely and variably inactivated resulting in a tissue-specific pattern of mono- and biallelic expression. Here we used clonal human female induced pluripotent stem cells (iPSCs) allowing to trace the (in)activation status of the two X-chromosomes individually along neural differentiation trajectories. We discovered X-chromosome-wide locus- and lineage-specific dynamic usage of the two X-chromosomal alleles in female cells induced by differentiation. Leveraging iPSCs derived from patients with an X-linked neurodevelopmental disorder, we demonstrate that activation of alleles on the inactive X-chromosome can exert protective effects on the manifestation of disease phenotypes in female neural cells and tissue. Taken together, our data demonstrate that alleles on the inactive X-chromosome can serve as a critical reservoir reactivated during differentiation, thereby enhancing resilience of female neural tissue.