Analysis of human pathology led Braak to postulate that α-synuclein (α-syn) pathology could spread from the gut to brain via the vagus nerve. Here, we test this postulate by assessing α-synucleinopathy in the brain in a novel gut-to-brain α-syn transmission mouse model, where pathological α-syn preformed fibrils were injected into the duodenal and pyloric muscularis layer. Spread of pathologic α-syn in brain, as assessed by phosphorylation of serine 129 of α-syn, was observed first in the dorsal motor nucleus, then in caudal portions of the hindbrain, including the locus coeruleus, and much later in basolateral amygdala, dorsal raphe nucleus, and the substantia nigra pars compacta. Moreover, loss of dopaminergic neurons and motor and non-motor symptoms were observed in a similar temporal manner. Truncal vagotomy and α-syn deficiency prevented the gut-to-brain spread of α-synucleinopathy and associated neurodegeneration and behavioral deficits. This study supports the Braak hypothesis in the etiology of idiopathic Parkinson's disease (PD).

Familial dysautonomia is a rare and fatal peripheral neuropathy caused by a mutation in the gene IKBKAP that encodes a protein involved in transcriptional elongation. Lee et al. report the derivation of patient-specific iPS (induced pluripotent stem) cells and the directed differentiation into cells of all three germ layers including peripheral neurons. Gene expression analysis revealed tissue-specific mis-splicing of IKBKAP in vitro, with the patients' neural crest precursors expressing particularly low levels of normal IKBKAP transcript, suggesting a mechanism for disease specificity. Transcriptome analysis and cell-based assays showed defects in neurogenic differentiation and migration behaviour. This work is a step towards using iPS technology to produce relevant human disease models, and in functional assays for the identification of candidate drugs. The derivation and differentiation of disease-specific human induced pluripotent stem cells (iPSCs) offers a new strategy for modelling disease. Familial dysautonomia (FD) is a rare but fatal peripheral neuropathy caused by a mutation in the IKBKAP gene. Here, patient-specific FD-iPSCs are derived and differentiated into cells of all three germ layers, including peripheral neurons; the cells are then analysed for mechanism of disease specificity and response to candidate drugs. The isolation of human induced pluripotent stem cells (iPSCs)1,2,3 offers a new strategy for modelling human disease. Recent studies have reported the derivation and differentiation of disease-specific human iPSCs4,5,6,7. However, a key challenge in the field is the demonstration of disease-related phenotypes and the ability to model pathogenesis and treatment of disease in iPSCs. Familial dysautonomia (FD) is a rare but fatal peripheral neuropathy, caused by a point mutation in the IKBKAP8 gene involved in transcriptional elongation9. The disease is characterized by the depletion of autonomic and sensory neurons. The specificity to the peripheral nervous system and the mechanism of neuron loss in FD are poorly understood owing to the lack of an appropriate model system. Here we report the derivation of patient-specific FD-iPSCs and the directed differentiation into cells of all three germ layers including peripheral neurons. Gene expression analysis in purified FD-iPSC-derived lineages demonstrates tissue-specific mis-splicing of IKBKAP in vitro. Patient-specific neural crest precursors express particularly low levels of normal IKBKAP transcript, suggesting a mechanism for disease specificity. FD pathogenesis is further characterized by transcriptome analysis and cell-based assays revealing marked defects in neurogenic differentiation and migration behaviour. Furthermore, we use FD-iPSCs for validating the potency of candidate drugs in reversing aberrant splicing and ameliorating neuronal differentiation and migration. Our study illustrates the promise of iPSC technology for gaining new insights into human disease pathogenesis and treatment.

Chambers et al. use a combination of small-molecule pathway inhibitors to rapidly differentiate human pluripotent stem cells into nociceptors, a type of sensory neuron. The conversion occurs about three-fold faster than during development, suggesting that pathway inhibition may offer a general approach for speeding up the generation of specific cell types in vitro. Considerable progress has been made in identifying signaling pathways that direct the differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into specialized cell types, including neurons. However, differentiation of hPSCs with extrinsic factors is a slow, step-wise process, mimicking the protracted timing of human development. Using a small-molecule screen, we identified a combination of five small-molecule pathway inhibitors that yield hPSC-derived neurons at >75% efficiency within 10 d of differentiation. The resulting neurons express canonical markers and functional properties of human nociceptors, including tetrodotoxin (TTX)-resistant, SCN10A-dependent sodium currents and response to nociceptive stimuli such as ATP and capsaicin. Neuronal fate acquisition occurs about threefold faster than during in vivo development1, suggesting that use of small-molecule pathway inhibitors could become a general strategy for accelerating developmental timing in vitro. The quick and high-efficiency derivation of nociceptors offers unprecedented access to this medically relevant cell type for studies of human pain.

Melanocytes are pigment-producing cells of neural crest (NC) origin that are responsible for protecting the skin against UV irradiation. Pluripotent stem cell (PSC) technology offers a promising approach for studying human melanocyte development and disease. Here, we report that timed exposure to activators of WNT, BMP, and EDN3 signaling triggers the sequential induction of NC and melanocyte precursor fates under dual-SMAD-inhibition conditions. Using a SOX10::GFP human embryonic stem cell (hESC) reporter line, we demonstrate that the temporal onset of WNT activation is particularly critical for human NC induction. Subsequent maturation of hESC-derived melanocytes yields pure populations that match the molecular and functional properties of adult melanocytes. Melanocytes from Hermansky-Pudlak syndrome and Chediak-Higashi syndrome patient-specific induced PSCs (iPSCs) faithfully reproduce the ultrastructural features of disease-associated pigmentation defects. Our data define a highly specific requirement for WNT signaling during NC induction and enable the generation of pure populations of human iPSC-derived melanocytes for faithful modeling of pigmentation disorders.