Human pluripotent stem cells (PSCs) are a promising source of cells for applications in regenerative medicine. Directed differentiation of PSCs into specialized cells such as spinal motoneurons or midbrain dopamine (DA) neurons has been achieved. However, the effective use of PSCs for cell therapy has lagged behind. Whereas mouse PSC-derived DA neurons have shown efficacy in models of Parkinson's disease, DA neurons from human PSCs generally show poor in vivo performance. There are also considerable safety concerns for PSCs related to their potential for teratoma formation or neural overgrowth. Here we present a novel floor-plate-based strategy for the derivation of human DA neurons that efficiently engraft in vivo, suggesting that past failures were due to incomplete specification rather than a specific vulnerability of the cells. Midbrain floor-plate precursors are derived from PSCs 11 days after exposure to small molecule activators of sonic hedgehog (SHH) and canonical WNT signalling. Engraftable midbrain DA neurons are obtained by day 25 and can be maintained in vitro for several months. Extensive molecular profiling, biochemical and electrophysiological data define developmental progression and confirm identity of PSC-derived midbrain DA neurons. In vivo survival and function is demonstrated in Parkinson's disease models using three host species. Long-term engraftment in 6-hydroxy-dopamine-lesioned mice and rats demonstrates robust survival of midbrain DA neurons derived from human embryonic stem (ES) cells, complete restoration of amphetamine-induced rotation behaviour and improvements in tests of forelimb use and akinesia. Finally, scalability is demonstrated by transplantation into parkinsonian monkeys. Excellent DA neuron survival, function and lack of neural overgrowth in the three animal models indicate promise for the development of cell-based therapies in Parkinson's disease.

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.

Reprogramming somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) resets their identity back to an embryonic age and, thus, presents a significant hurdle for modeling late-onset disorders. In this study, we describe a strategy for inducing aging-related features in human iPSC-derived lineages and apply it to the modeling of Parkinson’s disease (PD). Our approach involves expression of progerin, a truncated form of lamin A associated with premature aging. We found that expression of progerin in iPSC-derived fibroblasts and neurons induces multiple aging-related markers and characteristics, including dopamine-specific phenotypes such as neuromelanin accumulation. Induced aging in PD iPSC-derived dopamine neurons revealed disease phenotypes that require both aging and genetic susceptibility, such as pronounced dendrite degeneration, progressive loss of tyrosine hydroxylase (TH) expression, and enlarged mitochondria or Lewy-body-precursor inclusions. Thus, our study suggests that progerin-induced aging can be used to reveal late-onset age-related disease features in hiPSC-based disease models.

Human pluripotent stem cells are a powerful tool for modeling brain development and disease. The human cortex is composed of two major neuronal populations: projection neurons and local interneurons. Cortical interneurons comprise a diverse class of cell types expressing the neurotransmitter GABA. Dysfunction of cortical interneurons has been implicated in neuropsychiatric diseases, including schizophrenia, autism, and epilepsy. Here, we demonstrate the highly efficient derivation of human cortical interneurons in an NKX2.1::GFP human embryonic stem cell reporter line. Manipulating the timing of SHH activation yields three distinct GFP+ populations with specific transcriptional profiles, neurotransmitter phenotypes, and migratory behaviors. Further differentiation in a murine cortical environment yields parvalbumin- and somatostatin-expressing neurons that exhibit synaptic inputs and electrophysiological properties of cortical interneurons. Our study defines the signals sufficient for modeling human ventral forebrain development in vitro and lays the foundation for studying cortical interneuron involvement in human disease pathology.