Clinical application of induced pluripotent stem cells (iPSCs) is limited by the low efficiency of iPSC derivation and the fact that most protocols modify the genome to effect cellular reprogramming. Moreover, safe and effective means of directing the fate of patient-specific iPSCs toward clinically useful cell types are lacking. Here we describe a simple, nonintegrating strategy for reprogramming cell fate based on administration of synthetic mRNA modified to overcome innate antiviral responses. We show that this approach can reprogram multiple human cell types to pluripotency with efficiencies that greatly surpass established protocols. We further show that the same technology can be used to efficiently direct the differentiation of RNA-induced pluripotent stem cells (RiPSCs) into terminally differentiated myogenic cells. This technology represents a safe, efficient strategy for somatic cell reprogramming and directing cell fate that has broad applicability for basic research, disease modeling, and regenerative medicine.

In tumor cells from virtually all patients with chronic myelogenous leukemia, the Philadelphia chromosome, a fusion of chromosomes 9 and 22, directs the synthesis of the P210 bcr/abl protein. The protein-tyrosine kinase activity and hybrid structure of P210 bcr/abl are similar to the oncogene product of the Abelson murine leukemia virus, P160 gag /v- abl , which induces acute lymphomas. To determine whether P210 bcr/abl can induce chronic myelogenous leukemia, murine bone marrow was infected with a retrovirus encoding P210 bcr/abl and transplanted into irradiated syngeneic recipients. Transplant recipients developed several hematologic malignancies; prominent among them was a myeloproliferative syndrome closely resembling the chronic phase of human chronic myelogenous leukemia. Tumor tissue from diseased mice harbored the provirus encoding P210 bcr/abl . These results demonstrate that P210 bcr/abl expression can induce chronic myelogenous leukemia. Retrovirus-mediated expression of the protein provides a murine model system for further analysis of the disease.

Somatic cell nuclear transfer and transcription-factor-based reprogramming revert adult cells to an embryonic state, and yield pluripotent stem cells that can generate all tissues. Through different mechanisms and kinetics, these two reprogramming methods reset genomic methylation, an epigenetic modification of DNA that influences gene expression, leading us to hypothesize that the resulting pluripotent stem cells might have different properties. Here we observe that low-passage induced pluripotent stem cells (iPSCs) derived by factor-based reprogramming of adult murine tissues harbour residual DNA methylation signatures characteristic of their somatic tissue of origin, which favours their differentiation along lineages related to the donor cell, while restricting alternative cell fates. Such an ‘epigenetic memory’ of the donor tissue could be reset by differentiation and serial reprogramming, or by treatment of iPSCs with chromatin-modifying drugs. In contrast, the differentiation and methylation of nuclear-transfer-derived pluripotent stem cells were more similar to classical embryonic stem cells than were iPSCs. Our data indicate that nuclear transfer is more effective at establishing the ground state of pluripotency than factor-based reprogramming, which can leave an epigenetic memory of the tissue of origin that may influence efforts at directed differentiation for applications in disease modelling or treatment. Induced pluripotent stem (iPS) cells are produced by reprogramming differentiated adult cells using a cocktail of transcription factors. They share many properties that are characteristic of embryonic stem (ES) cells generated by somatic-cell nuclear transfer (SCNT), and of ES cells from naturally fertilized embryos. The three cell types are not identical, however, and an interesting difference has now been discovered: iPS cells retain an 'epigenetic memory' of the donor tissue from which they derive, whereas SCNT-based reprogramming resets the DNA-methylation state of adult cells so it is closer to the ES cell-like state. In a separate study, Ji et al. examine the role of specific DNA methylation marks in the developmental progression of particular cell lineages. They present a genome-wide DNA-methylation analysis of haematopoietic cell populations that reveals remarkable epigenetic plasticity. Changes in DNA methylation emerge as perhaps a principal factor directing cell-fate choices such as commitment to myeloid or lymphoid development. Pluripotent stem cells can be generated in the laboratory through somatic cell nuclear transfer (generating nuclear transfer embryonic stem cells, ntESCs) or transcription-factor-based reprogramming (producing induced pluripotent stem cells, iPSCs). These methods reset the methylation signature of the genome — but to what extent? Here it is found that mouse iPSCs 'remember' the methylation status of their tissue of origin, but the methylation of ntESCs is more similar to that of naturally produced ES cells.

Tissue culture of immortal cell strains from diseased patients is an invaluable resource for medical research but is largely limited to tumor cell lines or transformed derivatives of native tissues. Here we describe the generation of induced pluripotent stem (iPS) cells from patients with a variety of genetic diseases with either Mendelian or complex inheritance; these diseases include adenosine deaminase deficiency-related severe combined immunodeficiency (ADA-SCID), Shwachman-Bodian-Diamond syndrome (SBDS), Gaucher disease (GD) type III, Duchenne (DMD) and Becker muscular dystrophy (BMD), Parkinson disease (PD), Huntington disease (HD), juvenile-onset, type 1 diabetes mellitus (JDM), Down syndrome (DS)/trisomy 21, and the carrier state of Lesch-Nyhan syndrome. Such disease-specific stem cells offer an unprecedented opportunity to recapitulate both normal and pathologic human tissue formation in vitro, thereby enabling disease investigation and drug development.

Summary

 The Bcr-Abl tyrosine kinase oncogene causes chronic myelogenous leukemia (CML) and Philadelphia chromosome-positive (Ph+) acute lymphoblastic leukemia (ALL). We describe a novel selective inhibitor of Bcr-Abl, AMN107 (IC₅₀ < 30 nM), which is significantly more potent than imatinib, and active against a number of imatinib-resistant Bcr-Abl mutants. Crystallographic analysis of Abl-AMN107 complexes provides a structural explanation for the differential activity of AMN107 and imatinib against imatinib-resistant Bcr-Abl. Consistent with its in vitro and pharmacokinetic profile, AMN107 prolonged survival of mice injected with Bcr-Abl-transformed hematopoietic cell lines or primary marrow cells, and prolonged survival in imatinib-resistant CML mouse models. AMN107 is a promising new inhibitor for the therapy of CML and Ph+ ALL.

MicroRNAs (miRNAs) play critical roles in development, and dysregulation of miRNA expression has been observed in human malignancies. Recent evidence suggests that the processing of several primary miRNA transcripts (pri-miRNAs) is blocked posttranscriptionally in embryonic stem cells, embryonal carcinoma cells, and primary tumors. Here we show that Lin28, a developmentally regulated RNA binding protein, selectively blocks the processing of pri-let-7 miRNAs in embryonic cells. Using in vitro and in vivo studies, we found that Lin28 is necessary and sufficient for blocking Microprocessor-mediated cleavage of pri-let-7 miRNAs. Our results identify Lin28 as a negative regulator of miRNA biogenesis and suggest that Lin28 may play a central role in blocking miRNA-mediated differentiation in stem cells and in certain cancers.

Defined transcription factors can induce epigenetic reprogramming of adult mammalian cells into induced pluripotent stem cells. Although DNA factors are integrated during some reprogramming methods, it is unknown whether the genome remains unchanged at the single nucleotide level. Here we show that 22 human induced pluripotent stem (hiPS) cell lines reprogrammed using five different methods each contained an average of five protein-coding point mutations in the regions sampled (an estimated six protein-coding point mutations per exome). The majority of these mutations were non-synonymous, nonsense or splice variants, and were enriched in genes mutated or having causative effects in cancers. At least half of these reprogramming-associated mutations pre-existed in fibroblast progenitors at low frequencies, whereas the rest occurred during or after reprogramming. Thus, hiPS cells acquire genetic modifications in addition to epigenetic modifications. Extensive genetic screening should become a standard procedure to ensure hiPS cell safety before clinical use.

Andrew Feinberg and colleagues show that differential methylation of CpG island shores distinguish human induced pluripotent stem cells from the fibroblasts from which they were derived. These differentially methylated regions of the genome can also distinguish normal colon tissue from colorectal cancer. Induced pluripotent stem (iPS) cells are derived by epigenetic reprogramming, but their DNA methylation patterns have not yet been analyzed on a genome-wide scale. Here, we find substantial hypermethylation and hypomethylation of cytosine-phosphate-guanine (CpG) island shores in nine human iPS cell lines as compared to their parental fibroblasts. The differentially methylated regions (DMRs) in the reprogrammed cells (denoted R-DMRs) were significantly enriched in tissue-specific (T-DMRs; 2.6-fold, P < 10−4) and cancer-specific DMRs (C-DMRs; 3.6-fold, P < 10−4). Notably, even though the iPS cells are derived from fibroblasts, their R-DMRs can distinguish between normal brain, liver and spleen cells and between colon cancer and normal colon cells. Thus, many DMRs are broadly involved in tissue differentiation, epigenetic reprogramming and cancer. We observed colocalization of hypomethylated R-DMRs with hypermethylated C-DMRs and bivalent chromatin marks, and colocalization of hypermethylated R-DMRs with hypomethylated C-DMRs and the absence of bivalent marks, suggesting two mechanisms for epigenetic reprogramming in iPS cells and cancer.