Simple minicircle vectors carrying four reprogramming factors induce pluripotency in adult human adipose stem cells and in neonatal fibroblasts without integration into the genome. Owing to the risk of insertional mutagenesis, viral transduction has been increasingly replaced by nonviral methods to generate induced pluripotent stem cells (iPSCs). We report the use of 'minicircle' DNA, a vector type that is free of bacterial DNA and capable of high expression in cells, for this purpose. Here we use a single minicircle vector to generate transgene-free iPSCs from adult human adipose stem cells.

Ectopic expression of transcription factors can reprogram somatic cells to a pluripotent state. However, most of the studies used skin fibroblasts as the starting population for reprogramming, which usually take weeks for expansion from a single biopsy. We show here that induced pluripotent stem (iPS) cells can be generated from adult human adipose stem cells (hASCs) freshly isolated from patients. Furthermore, iPS cells can be readily derived from adult hASCs in a feeder-free condition, thereby eliminating potential variability caused by using feeder cells. hASCs can be safely and readily isolated from adult humans in large quantities without extended time for expansion, are easy to maintain in culture, and therefore represent an ideal autologous source of cells for generating individual-specific iPS cells.

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) generated by de-differentiation of adult somatic cells offer potential solutions for the ethical issues surrounding human embryonic stem cells (hESCs), as well as their immunologic rejection after cellular transplantation. However, although hiPSCs have been described as "embryonic stem cell-like", these cells have a distinct gene expression pattern compared to hESCs, making incomplete reprogramming a potential pitfall. It is unclear to what degree the difference in tissue of origin may contribute to these gene expression differences. To answer these important questions, a careful transcriptional profiling analysis is necessary to investigate the exact reprogramming state of hiPSCs, as well as analysis of the impression, if any, of the tissue of origin on the resulting hiPSCs. In this study, we compare the gene profiles of hiPSCs derived from fetal fibroblasts, neonatal fibroblasts, adipose stem cells, and keratinocytes to their corresponding donor cells and hESCs. Our analysis elucidates the overall degree of reprogramming within each hiPSC line, as well as the "distance" between each hiPSC line and its donor cell. We further identify genes that have a similar mode of regulation in hiPSCs and their corresponding donor cells compared to hESCs, allowing us to specify core sets of donor genes that continue to be expressed in each hiPSC line. We report that residual gene expression of the donor cell type contributes significantly to the differences among hiPSCs and hESCs, and adds to the incompleteness in reprogramming. Specifically, our analysis reveals that fetal fibroblast-derived hiPSCs are closer to hESCs, followed by adipose, neonatal fibroblast, and keratinocyte-derived hiPSCs.

Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and human embryonic stem cells (hESCs) are promising candidate cell sources for regenerative medicine. However, despite the common ability of hiPSCs and hESCs to differentiate into all 3 germ layers, their functional equivalence at the single cell level remains to be demonstrated. Moreover, single cell heterogeneity amongst stem cell populations may underlie important cell fate decisions. Here, we used single cell analysis to resolve the gene expression profiles of 362 hiPSCs and hESCs for an array of 42 genes that characterize the pluripotent and differentiated states. Comparison between single hESCs and single hiPSCs revealed markedly more heterogeneity in gene expression levels in the hiPSCs, suggesting that hiPSCs occupy an alternate, less stable pluripotent state. hiPSCs also displayed slower growth kinetics and impaired directed differentiation as compared with hESCs. Our results suggest that caution should be exercised before assuming that hiPSCs occupy a pluripotent state equivalent to that of hESCs, particularly when producing differentiated cells for regenerative medicine aims.

Abstract Although model organisms have provided insight into the earliest stages of cardiac vascularization, we know very little about this process in humans. Here we show that spatially micropatterned human pluripotent stem cells (hPSCs) enable in vitro modeling of this process, corresponding to the first three weeks of in vivo human development. Using four hPSC fluorescent reporter lines, we create cardiac vascular organoids (cVOs) by identifying conditions that simultaneously give rise to spatially organized and branched vascular networks within endocardial, myocardial, and epicardial cells. Using single-cell transcriptomics, we show that the cellular composition of cVOs resembles that of a 6.5 post-conception week (PCW) human heart. We find that NOTCH and BMP pathways are upregulated in cVOs, and their inhibition disrupts vascularization. Finally, using the same vascular-inducing factors to create cVOs, we produce hepatic vascular organoids (hVOs). This suggests there is a conserved developmental program for creating vasculature within different organ systems. Graphic Abstract

Summary Congenital heart defects, the most common birth disorders, are the clinical manifestation of anomalies in fetal heart development - a complex process involving dynamic spatiotemporal coordination among various precursor cell lineages. This complexity underlies the incomplete understanding of the genetic architecture of congenital heart diseases (CHDs). To define the multi-cellular epigenomic and transcriptional landscape of cardiac cellular development, we generated single-cell chromatin accessibility maps of human fetal heart tissues. We identified eight major differentiation trajectories involving primary cardiac cell types, each associated with dynamic transcription factor (TF) activity signatures. We identified similarities and differences of regulatory landscapes of iPSC-derived cardiac cell types and their in vivo counterparts. We interpreted deep learning models that predict cell-type resolved, base-resolution chromatin accessibility profiles from DNA sequence to decipher underlying TF motif lexicons and infer the regulatory impact of non-coding variants. De novo mutations predicted to affect chromatin accessibility in arterial endothelium were enriched in CHD cases versus controls. We used CRISPR-based perturbations to validate an enhancer harboring a nominated regulatory CHD mutation, linking it to effects on the expression of a known CHD gene JARID2 . Together, this work defines the cell-type resolved cis-regulatory sequence determinants of heart development and identifies disruption of cell type-specific regulatory elements as a component of the genetic etiology of CHD.