A comparative analysis of the genomes of Drosophila melanogaster , Caenorhabditis elegans , and Saccharomyces cerevisiae —and the proteins they are predicted to encode—was undertaken in the context of cellular, developmental, and evolutionary processes. The nonredundant protein sets of flies and worms are similar in size and are only twice that of yeast, but different gene families are expanded in each genome, and the multidomain proteins and signaling pathways of the fly and worm are far more complex than those of yeast. The fly has orthologs to 177 of the 289 human disease genes examined and provides the foundation for rapid analysis of some of the basic processes involved in human disease.

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.

We identified axonal defects in mouse models of Alzheimer's disease that preceded known disease-related pathology by more than a year; we observed similar axonal defects in the early stages of Alzheimer's disease in humans. Axonal defects consisted of swellings that accumulated abnormal amounts of microtubule-associated and molecular motor proteins, organelles, and vesicles. Impairing axonal transport by reducing the dosage of a kinesin molecular motor protein enhanced the frequency of axonal defects and increased amyloid-β peptide levels and amyloid deposition. Reductions in microtubule-dependent transport may stimulate proteolytic processing of β-amyloid precursor protein, resulting in the development of senile plaques and Alzheimer's disease.

Our understanding of Alzheimer's disease pathogenesis is currently limited by difficulties in obtaining live neurons from patients and the inability to model the sporadic form of the disease. It may be possible to overcome these challenges by reprogramming primary cells from patients into induced pluripotent stem cells (iPSCs). Here we reprogrammed primary fibroblasts from two patients with familial Alzheimer's disease, both caused by a duplication of the amyloid-β precursor protein gene (APP; termed APP(Dp)), two with sporadic Alzheimer's disease (termed sAD1, sAD2) and two non-demented control individuals into iPSC lines. Neurons from differentiated cultures were purified with fluorescence-activated cell sorting and characterized. Purified cultures contained more than 90% neurons, clustered with fetal brain messenger RNA samples by microarray criteria, and could form functional synaptic contacts. Virtually all cells exhibited normal electrophysiological activity. Relative to controls, iPSC-derived, purified neurons from the two APP(Dp) patients and patient sAD2 exhibited significantly higher levels of the pathological markers amyloid-β(1-40), phospho-tau(Thr 231) and active glycogen synthase kinase-3β (aGSK-3β). Neurons from APP(Dp) and sAD2 patients also accumulated large RAB5-positive early endosomes compared to controls. Treatment of purified neurons with β-secretase inhibitors, but not γ-secretase inhibitors, caused significant reductions in phospho-Tau(Thr 231) and aGSK-3β levels. These results suggest a direct relationship between APP proteolytic processing, but not amyloid-β, in GSK-3β activation and tau phosphorylation in human neurons. Additionally, we observed that neurons with the genome of one sAD patient exhibited the phenotypes seen in familial Alzheimer's disease samples. More generally, we demonstrate that iPSC technology can be used to observe phenotypes relevant to Alzheimer's disease, even though it can take decades for overt disease to manifest in patients.

The most common form of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease affecting adult motor neurons, is caused by dominant mutations in the ubiquitously expressed Cu-Zn superoxide dismutase (SOD1). In chimeric mice that are mixtures of normal and SOD1 mutant–expressing cells, toxicity to motor neurons is shown to require damage from mutant SOD1 acting within nonneuronal cells. Normal motor neurons in SOD1 mutant chimeras develop aspects of ALS pathology. Most important, nonneuronal cells that do not express mutant SOD1 delay degeneration and significantly extend survival of mutant-expressing motor neurons.

In recent years the kinesin superfamily has become so large that several different naming schemes have emerged, leading to confusion and miscommunication. Here, we set forth a standardized kinesin nomenclature based on 14 family designations. The scheme unifies all previous phylogenies and nomenclature proposals, while allowing individual sequence names to remain the same, and for expansion to occur as new sequences are discovered.

Yes-associated protein (YAP) is a potent transcription coactivator acting via binding to the TEAD transcription factor, and plays a critical role in organ size regulation. YAP is phosphorylated and inhibited by the Lats kinase, a key component of the Hippo tumor suppressor pathway. Elevated YAP protein levels and gene amplification have been implicated in human cancer. In this study, we report that YAP is inactivated during embryonic stem (ES) cell differentiation, as indicated by decreased protein levels and increased phosphorylation. Consistently, YAP is elevated during induced pluripotent stem (iPS) cell reprogramming. YAP knockdown leads to a loss of ES cell pluripotency, while ectopic expression of YAP prevents ES cell differentiation in vitro and maintains stem cell phenotypes even under differentiation conditions. Moreover, YAP binds directly to promoters of a large number of genes known to be important for stem cells and stimulates their expression. Our observations establish a critical role of YAP in maintaining stem cell pluripotency.

We tested whether proteins implicated in Huntington's and other polyglutamine (polyQ) expansion diseases can cause axonal transport defects. Reduction of Drosophila huntingtin and expression of proteins containing pathogenic polyQ repeats disrupt axonal transport. Pathogenic polyQ proteins accumulate in axonal and nuclear inclusions, titrate soluble motor proteins, and cause neuronal apoptosis and organismal death. Expression of a cytoplasmic polyQ repeat protein causes adult retinal degeneration, axonal blockages in larval neurons, and larval lethality, but not neuronal apoptosis or nuclear inclusions. A nuclear polyQ repeat protein induces neuronal apoptosis and larval lethality but no axonal blockages. We suggest that pathogenic polyQ proteins cause neuronal dysfunction and organismal death by two non-mutually exclusive mechanisms. One mechanism requires nuclear accumulation and induces apoptosis; the other interferes with axonal transport. Thus, disruption of axonal transport by pathogenic polyQ proteins could contribute to early neuropathology in Huntington's and other polyQ expansion diseases.