Ectopic expression of the four transcription factors Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4 is sufficient to confer a pluripotent state upon the fibroblast genome, generating induced pluripotent stem (iPS) cells. It remains unknown if nuclear reprogramming induced by these four factors globally resets epigenetic differences between differentiated and pluripotent cells. Here, using novel selection approaches, we have generated iPS cells from fibroblasts to characterize their epigenetic state. Female iPS cells showed reactivation of a somatically silenced X chromosome and underwent random X inactivation upon differentiation. Genome-wide analysis of two key histone modifications indicated that iPS cells are highly similar to ES cells. Consistent with these observations, iPS cells gave rise to viable high-degree chimeras with contribution to the germline. These data show that transcription factor-induced reprogramming leads to the global reversion of the somatic epigenome into an ES-like state. Our results provide a paradigm for studying the epigenetic modifications that accompany nuclear reprogramming and suggest that abnormal epigenetic reprogramming does not pose a problem for the potential therapeutic applications of iPS cells.

The generation of patient-specific pluripotent stem cells has the potential to accelerate the implementation of stem cells for clinical treatment of degenerative diseases. Technologies including somatic cell nuclear transfer and cell fusion might generate such cells but are hindered by issues that might prevent them from being used clinically. Here, we describe methods to use dermal fibroblasts easily obtained from an individual human to generate human induced pluripotent stem (iPS) cells by ectopic expression of the defined transcription factors KLF4, OCT4, SOX2, and C-MYC. The resultant cell lines are morphologically indistinguishable from human embryonic stem cells (HESC) generated from the inner cell mass of a human preimplantation embryo. Consistent with these observations, human iPS cells share a nearly identical gene-expression profile with two established HESC lines. Importantly, DNA fingerprinting indicates that the human iPS cells were derived from the donor material and are not a result of contamination. Karyotypic analyses demonstrate that reprogramming of human cells by defined factors does not induce, or require, chromosomal abnormalities. Finally, we provide evidence that human iPS cells can be induced to differentiate along lineages representative of the three embryonic germ layers indicating the pluripotency of these cells. Our findings are an important step toward manipulating somatic human cells to generate an unlimited supply of patient-specific pluripotent stem cells. In the future, the use of defined factors to change cell fate may be the key to routine nuclear reprogramming of human somatic cells.

Induced pluripotent stem (iPS) cells can be obtained from fibroblasts upon expression of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc. To understand how these factors induce pluripotency, we carried out genome-wide analyses of their promoter binding and expression in iPS and partially reprogrammed cells. We find that target genes of the four factors strongly overlap in iPS and embryonic stem (ES) cells. In partially reprogrammed cells, many genes co-occupied by c-Myc and any of the other three factors already show an ES cell-like binding and expression pattern. In contrast, genes that are specifically co-bound by Oct4, Sox2, and Klf4 in ES cells and encode pluripotency regulators severely lack binding and transcriptional activation. Among the four factors, c-Myc promotes the most ES cell-like transcription pattern when expressed individually in fibroblasts. These data uncover temporal and separable contributions of the four factors during the reprogramming process and indicate that ectopic c-Myc predominantly acts before pluripotency regulators are activated.