The generation of pluripotent stem cells from an individual patient would enable the large-scale production of the cell types affected by that patient's disease. These cells could in turn be used for disease modeling, drug discovery, and eventually autologous cell replacement therapies. Although recent studies have demonstrated the reprogramming of human fibroblasts to a pluripotent state, it remains unclear whether these induced pluripotent stem (iPS) cells can be produced directly from elderly patients with chronic disease. We have generated iPS cells from an 82-year-old woman diagnosed with a familial form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). These patient-specific iPS cells possess properties of embryonic stem cells and were successfully directed to differentiate into motor neurons, the cell type destroyed in ALS.

Abstract

 Inductive signals and transcription factors involved in motor neuron generation have been identified, raising the question of whether these developmental insights can be used to direct stem cells to a motor neuron fate. We show that developmentally relevant signaling factors can induce mouse embryonic stem (ES) cells to differentiate into spinal progenitor cells, and subsequently into motor neurons, through a pathway recapitulating that used in vivo. ES cell-derived motor neurons can populate the embryonic spinal cord, extend axons, and form synapses with target muscles. Thus, inductive signals involved in normal pathways of neurogenesis can direct ES cells to form specific classes of CNS neurons.

Mutations in superoxide dismutase-1 (SOD1) cause a form of the fatal paralytic disorder amyotrophic lateral sclerosis (ALS), presumably by a combination of cell-autonomous and non–cell-autonomous processes. Here, we show that expression of mutated human SOD1 in primary mouse spinal motor neurons does not provoke motor neuron degeneration. Conversely, rodent astrocytes expressing mutated SOD1 kill spinal primary and embryonic mouse stem cell–derived motor neurons. This is triggered by soluble toxic factor(s) through a Bax-dependent mechanism. However, mutant astrocytes do not cause the death of spinal GABAergic or dorsal root ganglion neurons or of embryonic stem cell–derived interneurons. In contrast to astrocytes, fibroblasts, microglia, cortical neurons and myocytes expressing mutated SOD1 do not cause overt neurotoxicity. These findings indicate that astrocytes may play a role in the specific degeneration of spinal motor neurons in ALS. Identification of the astrocyte-derived soluble factor(s) may have far-reaching implications for ALS from both a pathogenic and therapeutic standpoint.

In the adult brain, neuroblasts born in the subventricular zone migrate from the walls of the lateral ventricles to the olfactory bulb. How do these cells orient over such a long distance and through complex territories? Here we show that neuroblast migration parallels cerebrospinal fluid (CSF) flow. Beating of ependymal cilia is required for normal CSF flow, concentration gradient formation of CSF guidance molecules, and directional migration of neuroblasts. Results suggest that polarized epithelial cells contribute important vectorial information for guidance of young, migrating neurons.

Recent studies suggest that neurons born in the developing basal forebrain migrate long distances perpendicularly to radial glia and that many of these cells reach the developing neocortex. This form of tangential migration, however, has not been demonstrated in vivo, and the sites of origin, pathways of migration and final destinations of these neurons in the postnatal brain are not fully understood. Using ultrasound-guided transplantation in utero, we have mapped the migratory pathways and fates of cells born in the lateral and medial ganglionic eminences (LGE and MGE) in 13.5-day-old mouse embryos. We demonstrate that LGE and MGE cells migrate along different routes to populate distinct regions in the developing brain. We show that LGE cells migrate ventrally and anteriorly, and give rise to the projecting medium spiny neurons in the striatum, nucleus accumbens and olfactory tubercle, and to granule and periglomerular cells in the olfactory bulb. By contrast, we show that the MGE is a major source of neurons migrating dorsally and invading the developing neocortex. MGE cells migrate into the neocortex via the neocortical subventricular zone and differentiate into the transient subpial granule neurons in the marginal zone and into a stable population of GABA-, parvalbumin- or somatostatin-expressing interneurons throughout the cortical plate.

Previous work has suggested that induced pluripotent stem cells (iPSCs) are inferior to embryonic stem cells (ESCs) with respect to in vitro differentiation, raising questions about the utility of iPSCs for disease modeling. Characterization of a test set of 16 human iPSC lines shows that they perform as well as ESCs in differentiating to motor neurons. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) present exciting opportunities for studying development and for in vitro disease modeling. However, reported variability in the behavior of iPSCs has called their utility into question. We established a test set of 16 iPSC lines from seven individuals of varying age, sex and health status, and extensively characterized the lines with respect to pluripotency and the ability to terminally differentiate. Under standardized procedures in two independent laboratories, 13 of the iPSC lines gave rise to functional motor neurons with a range of efficiencies similar to that of human embryonic stem cells (ESCs). Although three iPSC lines were resistant to neural differentiation, early neuralization rescued their performance. Therefore, all 16 iPSC lines passed a stringent test of differentiation capacity despite variations in karyotype and in the expression of early pluripotency markers and transgenes. This iPSC and ESC test set is a robust resource for those interested in the basic biology of stem cells and their applications.

The Hedgehog (Hh) signaling pathway is vital to animal development as it mediates the differentiation of multiple cell types during embryogenesis. In adults, Hh signaling can be activated to facilitate tissue maintenance and repair. Moreover, stimulation of the Hh pathway has shown therapeutic efficacy in models of neuropathy. The underlying mechanisms of Hh signal transduction remain obscure, however: little is known about the communication between the pathway suppressor Patched (Ptc), a multipass transmembrane protein that directly binds Hh, and the pathway activator Smoothened (Smo), a protein that is related to G-protein-coupled receptors and is capable of constitutive activation in the absence of Ptc.We have identified and characterized a synthetic non-peptidyl small molecule, Hh-Ag, that acts as an agonist of the Hh pathway. This Hh agonist promotes cell-type-specific proliferation and concentration-dependent differentiation in vitro, while in utero it rescues aspects of the Hh-signaling defect in Sonic hedgehog-null, but not Smo-null, mouse embryos. Biochemical studies with Hh-Ag, the Hh-signaling antagonist cyclopamine, and a novel Hh-signaling inhibitor Cur61414, reveal that the action of all these compounds is independent of Hh-protein ligand and of the Hh receptor Ptc, as each binds directly to Smo.Smo can have its activity modulated directly by synthetic small molecules. These studies raise the possibility that Hh signaling may be regulated by endogenous small molecules in vivo and provide potent compounds with which to test the therapeutic value of activating the Hh-signaling pathway in the treatment of traumatic and chronic degenerative conditions.

Neuronal precursors born in the subventricular zone (SVZ) of the neonatal and adult rodent brain migrate 3–8 mm from the walls of the lateral ventricle into the olfactory bulb. This tangentially oriented migration occurs without the guidance of radial glia or axonal processes. The cells move closely associated, forming elongated aggregates called chains, which are ensheathed by astrocytes. We have developed a culture system in which postnatal mouse SVZ neuronal precursors assemble into chains with ultrastructural and immunocytochemical characteristics equivalent to those in vivo but without the astrocytic sheath. Time-lapse videomicrography revealed that individual cells migrate along the chains very rapidly (∼122 μm/hr) in both directions. Periods of cell body translocation were interspersed with stationary periods. This saltatory behavior was similar to radial glia–guided migration but ∼4 times faster. Neuronal precursors isolated from embryonic cortical ventricular zone or cerebellar external granule layer did not form chains under these conditions, suggesting that chain migration is characteristic of SVZ precursors. This study directly demonstrates that SVZ neuronal precursors migrate along each other without the assistance of astrocytes or other cell types. (Additional data are presented in www.cell.com).

Most cases of neurodegenerative diseases are sporadic, hindering the use of genetic mouse models to analyze disease mechanisms. Focusing on the motor neuron (MN) disease amyotrophic lateral sclerosis (ALS), we therefore devised a fully humanized coculture model composed of human adult primary sporadic ALS (sALS) astrocytes and human embryonic stem-cell-derived MNs. The model reproduces the cardinal features of human ALS: sALS astrocytes, but not those from control patients, trigger selective death of MNs. The mechanisms underlying this non-cell-autonomous toxicity were investigated in both astrocytes and MNs. Although causal in familial ALS (fALS), SOD1 does not contribute to the toxicity of sALS astrocytes. Death of MNs triggered by either sALS or fALS astrocytes occurs through necroptosis, a form of programmed necrosis involving receptor-interacting protein 1 and the mixed lineage kinase domain-like protein. The necroptotic pathway therefore constitutes a potential therapeutic target for this incurable disease.