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.

Age-related defects in stem cells can limit proper tissue maintenance and hence contribute to a shortened lifespan. Using highly purified hematopoietic stem cells from mice aged 2 to 21 mo, we demonstrate a deficit in function yet an increase in stem cell number with advancing age. Expression analysis of more than 14,000 genes identified 1,500 that were age-induced and 1,600 that were age-repressed. Genes associated with the stress response, inflammation, and protein aggregation dominated the up-regulated expression profile, while the down-regulated profile was marked by genes involved in the preservation of genomic integrity and chromatin remodeling. Many chromosomal regions showed coordinate loss of transcriptional regulation; an overall increase in transcriptional activity with age and inappropriate expression of genes normally regulated by epigenetic mechanisms was also observed. Hematopoietic stem cells from early-aging mice expressing a mutant p53 allele reveal that aging of stem cells can be uncoupled from aging at an organismal level. These studies show that hematopoietic stem cells are not protected from aging. Instead, loss of epigenetic regulation at the chromatin level may drive both functional attenuation of cells, as well as other manifestations of aging, including the increased propensity for neoplastic transformation.

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.

The traditional view of hematopoiesis has been that all the cells of the peripheral blood are the progeny of a unitary homogeneous pool of hematopoietic stem cells (HSCs). Recent evidence suggests that the hematopoietic system is actually maintained by a consortium of HSC subtypes with distinct functional characteristics. We show here that myeloid-biased HSCs (My-HSCs) and lymphoid-biased HSCs (Ly-HSCs) can be purified according to their capacity for Hoechst dye efflux in combination with canonical HSC markers. These phenotypes are stable under natural (aging) or artificial (serial transplantation) stress and are exacerbated in the presence of competing HSCs. My- and Ly-HSCs respond differently to TGF-β1, presenting a possible mechanism for differential regulation of HSC subtype activation. This study demonstrates definitive isolation of lineage-biased HSC subtypes and contributes to the fundamental change in view that the hematopoietic system is maintained by a continuum of HSC subtypes, rather than a functionally uniform pool.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI1NWU0Zjk4NTJlMzM1OTUxNWMzYzMxOGIwYzdhNzUwOSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjM0NjY4ODA2fQ.Kl0XEMBrJ6M9xqEFhHhM8NiYyB5bJhi6Ot2qMGYUpGro2qfiYaNWTjhskRUo864HKj770QjP3BOXjRMkgK8lSVwcrEZ1mblUulFcuW19V7wkWej29z--vIYnbIlR_xApThgcl2sxsDSEBwDWkypPA04CEhAqy43KkZsh9159mOUyzl3APQBxpAxkttLblUL4XvzLBsgietiQ7cZBxgrallfjYPiVbdxon6lGCO0yXiVW5VM0LU4uVQd9abkQ5PPOh724IAoao7gju2batcxSwqdku8DcJZYuU-2Y6MZUvOOUuQkrCHKw7h2AvtyMlML2ss7tpGO9rln_B9fsXVQ1Cg(mp4, (35.88 MB) Download video

Human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are generated from somatic cells by ectopic expression of the 4 reprogramming factors (RFs) Oct-4, Sox2, Klf4, and c-Myc. To better define the stoichiometric requirements and dynamic expression patterns required for successful hiPSC induction, we generated 4 bicistronic lentiviral vectors encoding the 4 RFs co-expressed with discernable fluorescent proteins. Using this system, we define the optimal stoichiometry of RF expression to be highly sensitive to Oct4 dosage, and we demonstrate the impact that variations in the relative ratios of RF expression exert on the efficiency of hiPSC induction. Monitoring of expression of each individual RF in single cells during the course of reprogramming revealed that vector silencing follows acquisition of pluripotent cell markers. Pronounced lentiviral vector silencing was a characteristic of successfully reprogrammed hiPSC clones, but lack of complete silencing did not hinder hiPSC induction, maintenance, or directed differentiation. The vector system described here presents a powerful tool for mechanistic studies of reprogramming and the optimization of hiPSC generation.

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.

Abstract The current state-of-the-art in hPSC culture is a bespoke and user-dependent process limiting the scale and complexity of the experiments performed and introducing operator-to-operator and day-to-day variation. Artificial intelligence (AI) offers the speed and flexibility to bridge the gap between a human-dependent process and industrial-scale automation. We evaluated an AI approach for counting exact cell numbers of undifferentiated human induced pluripotent stem cells in brightfield images for automating hPSC culture. The neural network generates a topological density map for accurate cell counts. We found that the image-based AI algorithm can determine a precise number of hPSCs and is superior to fluorescence-labeled object detection; the algorithm can ignore well edges, meniscus effects, and dust, achieving an average error of 5.6%. We have built a prototype capable of making a go/no go decision for stem cell passaging to perform 26,400 individual well-level counts from 422,400 images in 12 hours at low cost.