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.

The long-term goal of nuclear transfer or alternative reprogramming approaches is to create patient-specific donor cells for transplantation therapy, avoiding immunorejection, a major complication in current transplantation medicine. It was recently shown that the four transcription factors Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc induce pluripotency in mouse fibroblasts. However, the therapeutic potential of induced pluripotent stem (iPS) cells for neural cell replacement strategies remained unexplored. Here, we show that iPS cells can be efficiently differentiated into neural precursor cells, giving rise to neuronal and glial cell types in culture. Upon transplantation into the fetal mouse brain, the cells migrate into various brain regions and differentiate into glia and neurons, including glutamatergic, GABAergic, and catecholaminergic subtypes. Electrophysiological recordings and morphological analysis demonstrated that the grafted neurons had mature neuronal activity and were functionally integrated in the host brain. Furthermore, iPS cells were induced to differentiate into dopamine neurons of midbrain character and were able to improve behavior in a rat model of Parkinson's disease upon transplantation into the adult brain. We minimized the risk of tumor formation from the grafted cells by separating contaminating pluripotent cells and committed neural cells using fluorescence-activated cell sorting. Our results demonstrate the therapeutic potential of directly reprogrammed fibroblasts for neuronal cell replacement in the animal model.

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.

One barrier to using stem cells for therapies is the difficulty in controlling their growth and differentiation. Androutsellis-Theotokis et al. show that the Notch receptor plays a pivotal role in a pathway that controls the survival of embryonic, fetal and adult stem cells, and that administration of Notch ligands to the brains of adult rats can help the animals recover movement after a simulated stroke. The finding paves the way towards therapies that aim to encourage the body's endogenous stem cells to repair damage, rather than trying to grow and transplant new cells. The Notch receptor plays a pivotal role in a pathway that controls the survival of embryonic, fetal and adult stem cells, as it activates the phosphatidylinositol-3-OH kinase/Akt signalling pathway and identifies a key serine on STAT3. The hope of developing new transplantation therapies for degenerative diseases is limited by inefficient stem cell growth and immunological incompatibility with the host1,2. Here we show that Notch receptor activation induces the expression of the specific target genes hairy and enhancer of split 3 (Hes3) and Sonic hedgehog (Shh) through rapid activation of cytoplasmic signals, including the serine/threonine kinase Akt, the transcription factor STAT3 and mammalian target of rapamycin, and thereby promotes the survival of neural stem cells. In both murine somatic and human embryonic stem cells, these positive signals are opposed by a control mechanism that involves the p38 mitogen-activated protein kinase. Transient administration of Notch ligands to the brain of adult rats increases the numbers of newly generated precursor cells and improves motor skills after ischaemic injury. These data indicate that stem cell expansion in vitro and in vivo, two central goals of regenerative medicine, may be achieved by Notch ligands through a pathway that is fundamental to development and cancer3,4,5.

Human and mouse embryonic stem cells (ESCs) are derived from blastocyst-stage embryos but have very different biological properties, and molecular analyses suggest that the pluripotent state of human ESCs isolated so far corresponds to that of mouse-derived epiblast stem cells (EpiSCs). Here we rewire the identity of conventional human ESCs into a more immature state that extensively shares defining features with pluripotent mouse ESCs. This was achieved by ectopic induction of Oct4, Klf4, and Klf2 factors combined with LIF and inhibitors of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta) and mitogen-activated protein kinase (ERK1/2) pathway. Forskolin, a protein kinase A pathway agonist which can induce Klf4 and Klf2 expression, transiently substitutes for the requirement for ectopic transgene expression. In contrast to conventional human ESCs, these epigenetically converted cells have growth properties, an X-chromosome activation state (XaXa), a gene expression profile, and a signaling pathway dependence that are highly similar to those of mouse ESCs. Finally, the same growth conditions allow the derivation of human induced pluripotent stem (iPS) cells with similar properties as mouse iPS cells. The generation of validated "naïve" human ESCs will allow the molecular dissection of a previously undefined pluripotent state in humans and may open up new opportunities for patient-specific, disease-relevant research.

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.

A CRISPR/Cas9 system is used to dissect the role of allelic risk variants on the expression of the α-synuclein gene SNCA, which has been linked to Parkinson’s disease development. Determining how genetic risk variants associated with complex diseases actually contribute to the pathological features of the disease remains a challenge. Non-coding sequences variants have been proposed to act in cis to modulate the expression of disease-linked genes, but it is difficult to test this hypothesis because of the complexity of the diseases linked to these variants. Rudolf Jaenisch and colleagues have developed a genetically controlled system to dissect out the cis-acting effect of allelic variants on the expression of the α-synuclein gene SCNA, which has been linked to Parkinson's disease development. Genome-wide association studies (GWAS) have identified numerous genetic variants associated with complex diseases, but mechanistic insights are impeded by a lack of understanding of how specific risk variants functionally contribute to the underlying pathogenesis1. It has been proposed that cis-acting effects of non-coding risk variants on gene expression are a major factor for phenotypic variation of complex traits and disease susceptibility. Recent genome-scale epigenetic studies have highlighted the enrichment of GWAS-identified variants in regulatory DNA elements of disease-relevant cell types2,3,4,5,6. Furthermore, single nucleotide polymorphism (SNP)-specific changes in transcription factor binding are correlated with heritable alterations in chromatin state and considered a major mediator of sequence-dependent regulation of gene expression7,8,9,10. Here we describe a novel strategy to functionally dissect the cis-acting effect of genetic risk variants in regulatory elements on gene expression by combining genome-wide epigenetic information with clustered regularly-interspaced short palindromic repeats (CRISPR)/Cas9 genome editing in human pluripotent stem cells. By generating a genetically precisely controlled experimental system, we identify a common Parkinson’s disease associated risk variant in a non-coding distal enhancer element that regulates the expression of α-synuclein (SNCA), a key gene implicated in the pathogenesis of Parkinson’s disease. Our data suggest that the transcriptional deregulation of SNCA is associated with sequence-dependent binding of the brain-specific transcription factors EMX2 and NKX6-1. This work establishes an experimental paradigm to functionally connect genetic variation with disease-relevant phenotypes.

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.

Knowledge of both the global chromatin structure and the gene expression programs of human embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) should provide a robust means to assess whether the genomes of these cells have similar pluripotent states. Recent studies have suggested that ESCs and iPSCs represent different pluripotent states with substantially different gene expression profiles. We describe here a comparison of global chromatin structure and gene expression data for a panel of human ESCs and iPSCs. Genome-wide maps of nucleosomes with histone H3K4me3 and H3K27me3 modifications indicate that there is little difference between ESCs and iPSCs with respect to these marks. Gene expression profiles confirm that the transcriptional programs of ESCs and iPSCs show very few consistent differences. Although some variation in chromatin structure and gene expression was observed in these cell lines, these variations did not serve to distinguish ESCs from iPSCs.

From Yeast to Therapeutic? Yeast has shown some promise as a model system to generate lead compounds that could have therapeutic potential for the cellular problems associated with neurodegenerative diseases. Along these lines, Tardiff et al. (p. 979 , published online 24 October) and Chung et al. (p. 983 , published online 24 October) describe the results of multiple screens in yeast that lead to the identification of a potential therapeutic compound to combat the cytotoxic affect of α-synuclein accumulation. The compound was able to reverse the pathological hallmarks of Parkinson's disease in cultured neurons derived from patients with α-synuclein–induced Parkinson's disease dementia.