The four transcription factors Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc can induce pluripotency in mouse and human fibroblasts. We previously described direct reprogramming of adult mouse neural stem cells (NSCs) by Oct4 and either Klf4 or c-Myc. NSCs endogenously express Sox2, c-Myc, and Klf4 as well as several intermediate reprogramming markers. Here we report that exogenous expression of the germline-specific transcription factor Oct4 is sufficient to generate pluripotent stem cells from adult mouse NSCs. These one-factor induced pluripotent stem cells (1F iPS) are similar to embryonic stem cells in vitro and in vivo. Not only can these cells can be efficiently differentiated into NSCs, cardiomyocytes, and germ cells in vitro, but they are also capable of teratoma formation and germline transmission in vivo. Our results demonstrate that Oct4 is required and sufficient to directly reprogram NSCs to pluripotency.

Human aging is associated with DNA methylation changes at specific sites in the genome. These epigenetic modifications may be used to track donor age for forensic analysis or to estimate biological age. We perform a comprehensive analysis of methylation profiles to narrow down 102 age-related CpG sites in blood. We demonstrate that most of these age-associated methylation changes are reversed in induced pluripotent stem cells (iPSCs). Methylation levels at three age-related CpGs - located in the genes ITGA2B, ASPA and PDE4C - were subsequently analyzed by bisulfite pyrosequencing of 151 blood samples. This epigenetic aging signature facilitates age predictions with a mean absolute deviation from chronological age of less than 5 years. This precision is higher than age predictions based on telomere length. Variation of age predictions correlates moderately with clinical and lifestyle parameters supporting the notion that age-associated methylation changes are associated more with biological age than with chronological age. Furthermore, patients with acquired aplastic anemia or dyskeratosis congenita - two diseases associated with progressive bone marrow failure and severe telomere attrition - are predicted to be prematurely aged. Our epigenetic aging signature provides a simple biomarker to estimate the state of aging in blood. Age-associated DNA methylation changes are counteracted in iPSCs. On the other hand, over-estimation of chronological age in bone marrow failure syndromes is indicative for exhaustion of the hematopoietic cell pool. Thus, epigenetic changes upon aging seem to reflect biological aging of blood.

We have developed a high-efficiency nucleic acid delivery system that uses receptor-mediated endocytosis to carry DNA macromolecules into cells. We accomplished this by conjugating the iron-transport protein transferrin to polycations that bind nucleic acids. Human transferrin, as well as the chicken homologue conalbumin, has been covalently linked to the small DNA-binding protein protamine or to polylysines of various sizes through a disulfide linkage. These modified transferrin molecules maintain their ability to bind their cognate receptor and to mediate efficient iron transport into the cell. The transferrin-polycation molecules form electrophoretically stable complexes with double-stranded DNA, single-stranded DNA, and modified RNA molecules independent of nucleic acid size (from short oligonucleotides to DNA of 21 kilobase pairs). When complexes of transferrin-polycation and a bacterial plasmid DNA containing the gene for Photinus pyralis luciferase are supplied to eukaryotic cells, high-level expression of the luciferase gene occurs, demonstrating transferrin receptor-mediated endocytosis and expression of the imported DNA. We refer to this delivery system as "transferrinfection."

A systematic mutagenesis of the SV40 enhancer indicates that it spans approximately 100 bp and is composed of at least two distinct DNA domains which exhibit very little enhancing activity on their own. Their association results in a 400-fold enhancement of transcription, virtually irrespective of their relative orientation and, to some extent, of the distance between them. Enhancer activity can also be generated by duplication of either domain. We show also that the activity of each domain is due to the presence of several specific sequence motifs. These motifs are found assorted in different combinations in other viral and cellular enhancers.

Transposase-Accessible Chromatin followed by sequencing (ATAC-seq) is a simple protocol for detection of open chromatin. Computational footprinting, the search for regions with depletion of cleavage events due to transcription factor binding, is poorly understood for ATAC-seq. We propose the first footprinting method considering ATAC-seq protocol artifacts. HINT-ATAC uses a position dependency model to learn the cleavage preferences of the transposase. We observe strand-specific cleavage patterns around transcription factor binding sites, which are determined by local nucleosome architecture. By incorporating all these biases, HINT-ATAC is able to significantly outperform competing methods in the prediction of transcription factor binding sites with footprints.

Background— Inflammation has been closely linked to auto-immunogenic processes in atherosclerosis. Plasmacytoid dendritic cells (pDCs) are specialized to produce type-I interferons in response to pathogenic single-stranded nucleic acids, but can also sense self-DNA released from dying cells or in neutrophil extracellular traps complexed to the antimicrobial peptide Cramp/LL37 in autoimmune disease. However, the exact role of pDCs in atherosclerosis remains elusive. Methods and Results— Here we demonstrate that pDCs can be detected in murine and human atherosclerotic lesions. Exposure to oxidatively modified low-density lipoprotein enhanced the capacity of pDCs to phagocytose and prime antigen-specific T cell responses. Plasmacytoid DCs can be stimulated to produce interferon-α by Cramp/DNA complexes, and we further identified increased expression of Cramp and formation of neutrophil extracellular traps in atherosclerotic arteries. Whereas Cramp/DNA complexes aggravated atherosclerotic lesion formation in apolipoprotein E–deficient mice, pDC depletion and Cramp-deficiency in bone marrow reduced atherosclerosis and anti–double-stranded DNA antibody titers. Moreover, the specific activation of pDCs and interferon-α treatment promoted plaque growth, associated with enhanced anti–double-stranded–DNA antibody titers. Accordingly, anti–double-stranded DNA antibodies were elevated in patients with symptomatic versus asymptomatic carotid artery stenosis. Conclusions— Self-DNA (eg, released from dying cells or in neutrophil extracellular traps) and an increased expression of the antimicrobial peptide Cramp/LL37 in atherosclerotic lesions may thus stimulate a pDC-driven pathway of autoimmune activation and the generation of anti–double-stranded-DNA antibodies, critically aggravating atherosclerosis lesion formation. These key factors may thus represent novel therapeutic targets.

We have subverted a receptor-mediated endocytosis event to transport genes into human leukemic cells. By coupling the natural iron-delivery protein transferrin to the DNA-binding polycations polylysine or protamine, we have created protein conjugates that bind nucleic acids and carry them into the cell during the normal transferrin cycle [Wagner, E., Zenke, M., Cotten, M., Beug, H. & Birnstiel, M. L. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 3410-3414]. We demonstrate here that this procedure is useful for a human leukemic cell line. We enhanced the rate of gene delivery by (i) increasing the transferrin receptor density through treatment of the cells with the cell-permeable iron chelator desferrioxamine, (ii) interfering with the synthesis of heme with succinyl acetone treatment, or (iii) stimulating the degradation of heme with cobalt chloride treatment. Consistent with gene delivery as an endocytosis event, we show that the subsequent expression in K-562 cells of a gene included in the transported DNA depends upon the cellular presence of the lysosomotropic agent chloroquine. By contrast, monensin blocks "transferrinfection," as does incubation of the cells at 18 degrees C.