Many cellular and molecular phenomena have been described in neurons of schizophrenic patients, mostly based on post-mortem data, but there is still no clear understanding of mechanisms underlying the disease. Gage and colleagues now demonstrate the feasibility of generating a human cell-based model of schizophrenia. Fibroblasts from patients with schizophrenia were reprogrammed into induced pluripotent stem cells and subsequently differentiated into neurons. These neurons displayed a number of schizophrenia-associated phenotypes, including reduced connectivity and altered gene expression, some of which could be rescued by an antipsychotic. Schizophrenia (SCZD) is a debilitating neurological disorder with a world-wide prevalence of 1%; there is a strong genetic component, with an estimated heritability of 80–85%1. Although post-mortem studies have revealed reduced brain volume, cell size, spine density and abnormal neural distribution in the prefrontal cortex and hippocampus of SCZD brain tissue2 and neuropharmacological studies have implicated dopaminergic, glutamatergic and GABAergic activity in SCZD3, the cell types affected in SCZD and the molecular mechanisms underlying the disease state remain unclear. To elucidate the cellular and molecular defects of SCZD, we directly reprogrammed fibroblasts from SCZD patients into human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and subsequently differentiated these disorder-specific hiPSCs into neurons (Supplementary Fig. 1). SCZD hiPSC neurons showed diminished neuronal connectivity in conjunction with decreased neurite number, PSD95-protein levels and glutamate receptor expression. Gene expression profiles of SCZD hiPSC neurons identified altered expression of many components of the cyclic AMP and WNT signalling pathways. Key cellular and molecular elements of the SCZD phenotype were ameliorated following treatment of SCZD hiPSC neurons with the antipsychotic loxapine. To date, hiPSC neuronal pathology has only been demonstrated in diseases characterized by both the loss of function of a single gene product and rapid disease progression in early childhood4,5,6. We now report hiPSC neuronal phenotypes and gene expression changes associated with SCZD, a complex genetic psychiatric disorder.

Summary

 Autism spectrum disorders (ASD) are complex neurodevelopmental diseases in which different combinations of genetic mutations may contribute to the phenotype. Using Rett syndrome (RTT) as an ASD genetic model, we developed a culture system using induced pluripotent stem cells (iPSCs) from RTT patients' fibroblasts. RTT patients' iPSCs are able to undergo X-inactivation and generate functional neurons. Neurons derived from RTT-iPSCs had fewer synapses, reduced spine density, smaller soma size, altered calcium signaling and electrophysiological defects when compared to controls. Our data uncovered early alterations in developing human RTT neurons. Finally, we used RTT neurons to test the effects of drugs in rescuing synaptic defects. Our data provide evidence of an unexplored developmental window, before disease onset, in RTT syndrome where potential therapies could be successfully employed. Our model recapitulates early stages of a human neurodevelopmental disease and represents a promising cellular tool for drug screening, diagnosis and personalized treatment. 

PaperFlick

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.

Long interspersed element 1 (LINE-1 or L1) retrotransposons have markedly affected the human genome. L1s must retrotranspose in the germ line or during early development to ensure their evolutionary success, yet the extent to which this process affects somatic cells is poorly understood. We previously demonstrated that engineered human L1s can retrotranspose in adult rat hippocampus progenitor cells in vitro and in the mouse brain in vivo. Here we demonstrate that neural progenitor cells isolated from human fetal brain and derived from human embryonic stem cells support the retrotransposition of engineered human L1s in vitro. Furthermore, we developed a quantitative multiplex polymerase chain reaction that detected an increase in the copy number of endogenous L1s in the hippocampus, and in several regions of adult human brains, when compared to the copy number of endogenous L1s in heart or liver genomic DNAs from the same donor. These data suggest that de novo L1 retrotransposition events may occur in the human brain and, in principle, have the potential to contribute to individual somatic mosaicism.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a neurodegenerative disease characterized by motor neuron death. ALS can be induced by mutations in the superoxide dismutase 1 gene (SOD1). Evidence for the non-cell-autonomous nature of ALS emerged from the observation that wild-type glial cells extended the survival of SOD1 mutant motor neurons in chimeric mice. To uncover the contribution of astrocytes to human motor neuron degeneration, we cocultured hESC-derived motor neurons with human primary astrocytes expressing mutated SOD1. We detected a selective motor neuron toxicity that was correlated with increased inflammatory response in SOD1-mutated astrocytes. Furthermore, we present evidence that astrocytes can activate NOX2 to produce superoxide and that effect can be reversed by antioxidants. We show that NOX2 inhibitor, apocynin, can prevent the loss of motor neurons caused by SOD1-mutated astrocytes. These results provide an assay for drug screening using a human ALS in vitro astrocyte-based cell model.

Background Neural induction of human pluripotent stem cells often yields heterogeneous cell populations that can hamper quantitative and comparative analyses. There is a need for improved differentiation and enrichment procedures that generate highly pure populations of neural stem cells (NSC), glia and neurons. One way to address this problem is to identify cell-surface signatures that enable the isolation of these cell types from heterogeneous cell populations by fluorescence activated cell sorting (FACS). Methodology/Principal Findings We performed an unbiased FACS- and image-based immunophenotyping analysis using 190 antibodies to cell surface markers on naïve human embryonic stem cells (hESC) and cell derivatives from neural differentiation cultures. From this analysis we identified prospective cell surface signatures for the isolation of NSC, glia and neurons. We isolated a population of NSC that was CD184+/CD271−/CD44−/CD24+ from neural induction cultures of hESC and human induced pluripotent stem cells (hiPSC). Sorted NSC could be propagated for many passages and could differentiate to mixed cultures of neurons and glia in vitro and in vivo. A population of neurons that was CD184−/CD44−/CD15LOW/CD24+ and a population of glia that was CD184+/CD44+ were subsequently purified from cultures of differentiating NSC. Purified neurons were viable, expressed mature and subtype-specific neuronal markers, and could fire action potentials. Purified glia were mitotic and could mature to GFAP-expressing astrocytes in vitro and in vivo. Conclusions/Significance These findings illustrate the utility of immunophenotyping screens for the identification of cell surface signatures of neural cells derived from human pluripotent stem cells. These signatures can be used for isolating highly pure populations of viable NSC, glia and neurons by FACS. The methods described here will enable downstream studies that require consistent and defined neural cell populations.