Promoting Pluripotency A specialized mammalian cell can be set back to the pluripotent state either by transfer of the somatic cell nucleus into an oocyte or by delivery of exogenous pluripotency-associated transcription factors. Hou et al. (p. 651 , published online 18 July) developed an approach to induce pluripotency in somatic cells using a cocktail of small molecules. The ability to generate such chemically induced pluripotent stem cells may provide an alternate route for therapeutic cloning and for drug development in regenerative medicine.

The differentiation capacity of human embryonic stem cells (hESCs) holds great promise for therapeutic applications. We report a novel three-stage method to efficiently direct the differentiation of human embryonic stem cells into hepatic cells in serum-free medium. Human ESCs were first differentiated into definitive endoderm cells by 3 days of Activin A treatment. Next, the presence of fibroblast growth factor-4 and bone morphogenetic protein-2 in the culture medium for 5 days induced efficient hepatic differentiation from definitive endoderm cells. Approximately 70% of the cells expressed the hepatic marker albumin. After 10 days of further in vitro maturation, these cells expressed the adult liver cell markers tyrosine aminotransferase, tryptophan oxygenase 2, phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK), Cyp7A1, Cyp3A4 and Cyp2B6. Furthermore, these cells exhibited functions associated with mature hepatocytes including albumin secretion, glycogen storage, indocyanine green, and low-density lipoprotein uptake, and inducible cytochrome P450 activity. When transplanted into CCl4 injured severe combined immunodeficiency mice, these cells integrated into the mouse liver and expressed human alpha-1 antitrypsin for at least 2 months. In addition, we found that the hESC-derived hepatic cells were readily infected by human immunodeficiency virus-hepatitis C virus pseudotype viruses.We have developed an efficient way to direct the differentiation of human embryonic stem cells into cells that exhibit characteristics of mature hepatocytes. Our studies should facilitate searching the molecular mechanisms underlying human liver development, and form the basis for hepatocyte transplantation and drug tests.

Human induced pluripotent stem (iPS) cells are similar to embryonic stem (ES) cells, and can proliferate intensively and differentiate into a variety of cell types. However, the hepatic differentiation of human iPS cells has not yet been reported. In this report, human iPS cells were induced to differentiate into hepatic cells by a stepwise protocol. The expression of liver cell markers and liver-related functions of the human iPS cell-derived cells were monitored and compared with that of differentiated human ES cells and primary human hepatocytes. Approximately 60% of the differentiated human iPS cells at day 7 expressed hepatic markers alpha fetoprotein and Alb. The differentiated cells at day 21 exhibited liver cell functions including albumin Asecretion, glycogen synthesis, urea production and inducible cytochrome P450 activity. The expression of hepatic markers and liver-related functions of the iPS cell-derived hepatic cells were comparable to that of the human ES cell-derived hepatic cells. These results show that human iPS cells, which are similar to human ES cells, can be efficiently induced to differentiate into hepatocyte-like cells.

Recently, direct reprogramming between divergent lineages has been achieved by the introduction of regulatory transcription factors. This approach may provide alternative cell resources for drug discovery and regenerative medicine, but applications could be limited by the genetic manipulation involved. Here, we show that mouse fibroblasts can be directly converted into neuronal cells using only a cocktail of small molecules, with a yield of up to >90% being TUJ1-positive after 16 days of induction. After a further maturation stage, these chemically induced neurons (CiNs) possessed neuron-specific expression patterns, generated action potentials, and formed functional synapses. Mechanistically, we found that a BET family bromodomain inhibitor, I-BET151, disrupted the fibroblast-specific program, while the neurogenesis inducer ISX9 was necessary to activate neuron-specific genes. Overall, our findings provide a "proof of principle" for chemically induced direct reprogramming of somatic cell fates across germ layers without genetic manipulation, through disruption of cell-specific programs and induction of an alternative fate.

The introduction of four transcription factors Oct4, Klf4, Sox2 and c-Myc by viral transduction can induce reprogramming of somatic cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs), but the use of iPSCs is hindered by the use of viral delivery systems. Chemical-induced reprogramming offers a novel approach to generating iPSCs without any viral vector-based genetic modification. Previous reports showed that several small molecules could replace some of the reprogramming factors although at least two transcription factors, Oct4 and Klf4, are still required to generate iPSCs from mouse embryonic fibroblasts. Here, we identify a specific chemical combination, which is sufficient to permit reprogramming from mouse embryonic and adult fibroblasts in the presence of a single transcription factor, Oct4, within 20 days, replacing Sox2, Klf4 and c-Myc. The iPSCs generated using this treatment resembled mouse embryonic stem cells in terms of global gene expression profile, epigenetic status and pluripotency both in vitro and in vivo. We also found that 8 days of Oct4 induction was sufficient to enable Oct4-induced reprogramming in the presence of the small molecules, which suggests that reprogramming was initiated within the first 8 days and was independent of continuous exogenous Oct4 expression. These discoveries will aid in the future generation of iPSCs without genetic modification, as well as elucidating the molecular mechanisms that underlie the reprogramming process.

Autoimmune diseases disproportionately affect females more than males. The XX sex chromosome complement is strongly associated with susceptibility to autoimmunity. Xist long non-coding RNA (lncRNA) is expressed only in females to randomly inactivate one of the two X chromosomes to achieve gene dosage compensation. Here, we show that the Xist ribonucleoprotein (RNP) complex comprising numerous autoantigenic components is an important driver of sex-biased autoimmunity. Inducible transgenic expression of a non-silencing form of Xist in male mice introduced Xist RNP complexes and sufficed to produce autoantibodies. Male SJL/J mice expressing transgenic Xist developed more severe multi-organ pathology in a pristane-induced lupus model than wild-type males. Xist expression in males reprogrammed T and B cell populations and chromatin states to more resemble wild-type females. Human patients with autoimmune diseases displayed significant autoantibodies to multiple components of XIST RNP. Thus, a sex-specific lncRNA scaffolds ubiquitous RNP components to drive sex-biased immunity.

Viral proteins localize within subcellular compartments to subvert host machinery and promote pathogenesis. To study SARS-CoV-2 biology, we generated an atlas of 2422 human proteins vicinal to 17 SARS-CoV-2 viral proteins using proximity proteomics. This identified viral proteins at specific intracellular locations, such as association of accessary proteins with intracellular membranes, and projected SARS-CoV-2 impacts on innate immune signaling, ER-Golgi transport, and protein translation. It identified viral protein adjacency to specific host proteins whose regulatory variants are linked to COVID-19 severity, including the TRIM4 interferon signaling regulator which was found proximal to the SARS-CoV-2 M protein. Viral NSP1 protein adjacency to the EIF3 complex was associated with inhibited host protein translation whereas ORF6 localization with MAVS was associated with inhibited RIG-I 2CARD-mediated IFNB1 promoter activation. Quantitative proteomics identified candidate host targets for the NSP5 protease, with specific functional cleavage sequences in host proteins CWC22 and FANCD2. This data resource identifies host factors proximal to viral proteins in living human cells and nominates pathogenic mechanisms employed by SARS-CoV-2.SARS-CoV-2 is the latest pathogenic coronavirus to emerge as a public health threat. We create a database of proximal host proteins to 17 SARS-CoV-2 viral proteins. We validate that NSP1 is proximal to the EIF3 translation initiation complex and is a potent inhibitor of translation. We also identify ORF6 antagonism of RNA-mediate innate immune signaling. We produce a database of potential host targets of the viral protease NSP5, and create a fluorescence-based assay to screen cleavage of peptide sequences. We believe that this data will be useful for identifying roles for many of the uncharacterized SARS-CoV-2 proteins and provide insights into the pathogenicity of new or emerging coronaviruses.

Systemic sclerosis (SSc; scleroderma) is an autoimmune rheumatic disease that primarily affects biological females whose pathogenesis is poorly understood. The clinical hallmark is hardening of the skin, but internal organ dysfunction is the leading cause of death. Diagnosis and treatment are complicated by heterogeneity within the disease including variable lethality, fibrosis severity, serum autoantibody production, and internal organ involvement. Important gaps remain in our knowledge of the exact molecular and cellular pathways underlying distinct SSc subtypes. Herein, we identify genome-wide chromatin accessibility profiles of peripheral CD4+ T cells to distinguish and better understand the observed heterogeneity in SSc patients. We identify a link between the presence of serum anticentromere autoantibodies (ACA) and elevated levels of T helper 2 (Th2) cells and increased chromatin access at gene loci encoding fibrosis-driving Th2 cytokines IL4, IL13, and IL4 receptor. Biological sex followed by autoantibody type are the predominant variables associated with differences in CD4+ T cell epigenomic profiles, while mycophenolate mofetil treatment appeared to have no effect. These results suggest new mechanistic basis and therapeutic strategies to address SSc, especially the anti-ACA+ subset of patients who more frequently develop pulmonary arterial hypertension.

Glucose is a universal energy currency for living organisms, however, its non-energetic functions in processes such as differentiation are undefined. In epidermis, differentiating cells exhibit dynamic changes in gene expression 1–4 driven by specific transcription factors (TFs) 5–9 . The interplay between such TFs and biomolecules that also change in this process is not understood. Metabolomic analyses revealed that increased intracellular glucose accompanies differentiation of epidermal keratinocytes. This elevation also occurred in differentiating cells from other tissues and was verified in epidermal tissue engineered with glucose sensors, which detected a glucose gradient that peaked in the outermost differentiated layers. Free glucose accumulation, unaccompanied by its increased metabolism, was essential for epidermal differentiation and required GLUT1, GLUT3, and SGLT1 transporters. Glucose affinity chromatography and azido-glucose click chemistry uncovered glucose binding to diverse regulatory proteins, including the IRF6 TF, whose epidermal knockout confirmed its requirement in glucose-dependent differentiation. Direct glucose binding enabled IRF6 dimerization, DNA binding, genomic localization, and induction of IRF6 target genes, including essential pro-differentiation TFs GRHL1, GRHL3, HOPX and PRDM1 . The IRF6 R84C mutant found in undifferentiated cancers was unable to bind glucose. These data identify a new role for glucose as a gradient morphogen that modulates protein multimerization in cellular differentiation.