We found adult human stem cells that can generate, from a single cell, cells with the characteristics of the three germ layers. The cells are stress-tolerant and can be isolated from cultured skin fibroblasts or bone marrow stromal cells, or directly from bone marrow aspirates. These cells can self-renew; form characteristic cell clusters in suspension culture that express a set of genes associated with pluripotency; and can differentiate into endodermal, ectodermal, and mesodermal cells both in vitro and in vivo. When transplanted into immunodeficient mice by local or i.v. injection, the cells integrated into damaged skin, muscle, or liver and differentiated into cytokeratin 14-, dystrophin-, or albumin-positive cells in the respective tissues. Furthermore, they can be efficiently isolated as SSEA-3(+) cells. Unlike authentic ES cells, their proliferation activity is not very high and they do not form teratomas in immunodeficient mouse testes. Thus, nontumorigenic stem cells with the ability to generate the multiple cell types of the three germ layers can be obtained through easily accessible adult human mesenchymal cells without introducing exogenous genes. These unique cells will be beneficial for cell-based therapy and biomedical research.

The stochastic and elite models have been proposed for the mechanism of induced pluripotent stem (iPS) cell generation. In this study we report a system that supports the elite model. We previously identified multilineage-differentiating stress-enduring (Muse) cells in human dermal fibroblasts that are characterized by stress tolerance, expression of pluripotency markers, self-renewal, and the ability to differentiate into endodermal-, mesodermal-, and ectodermal-lineage cells from a single cell. They can be isolated as stage-specific embryonic antigen-3/CD105 double-positive cells. When human fibroblasts were separated into Muse and non-Muse cells and transduced with Oct3/4 , Sox2 , Klf4 , and c-Myc , iPS cells were generated exclusively from Muse cells but not from non-Muse cells. Although some colonies were formed from non-Muse cells, they were unlike iPS cells. Furthermore, epigenetic alterations were not seen, and some of the major pluripotency markers were not expressed for the entire period during iPS cell generation. These findings were confirmed further using cells transduced with a single polycistronic virus vector encoding all four factors. The results demonstrate that in adult human fibroblasts a subset of preexisting adult stem cells whose properties are similar in some respects to those of iPS cells selectively become iPS cells, but the remaining cells make no contribution to the generation of iPS cells. Therefore this system seems to fit the elite model rather than the stochastic model.

Abstract In embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs), the expression of an RNA-binding pluripotency-relevant protein, LIN28, and the absence of its antagonist, the tumor-suppressor microRNA (miRNA) let-7, play a key role in maintaining pluripotency. Muse cells are non-tumorigenic pluripotent-like stem cells residing in the bone marrow, peripheral blood, and organ connective tissues as pluripotent surface marker SSEA-3(+). They express pluripotency genes, differentiate into triploblastic-lineage cells, and self-renew at the single cell level. Muse cells do not express LIN28 but do express let-7 at higher levels than in iPSCs. In Muse cells, we demonstrated that let-7 inhibited the PI3K-AKT pathway, leading to sustainable expression of the key pluripotency regulator KLF4 as well as its downstream genes, POU5F1 , SOX2 , and NANOG . Let-7 also suppressed proliferation and glycolysis by inhibiting the PI3K-AKT pathway, suggesting its involvement in non-tumorigenicity. Furthermore, the MEK/ERK pathway is not controlled by let-7 and may have a pivotal role in maintaining self-renewal and suppression of senescence. The system found in Muse cells, in which the tumor suppressor let-7, but not LIN28, tunes the expression of pluripotency genes, might be a rational cell system conferring both pluripotency-like properties and a low risk for tumorigenicity.