Chambers et al. use a combination of small-molecule pathway inhibitors to rapidly differentiate human pluripotent stem cells into nociceptors, a type of sensory neuron. The conversion occurs about three-fold faster than during development, suggesting that pathway inhibition may offer a general approach for speeding up the generation of specific cell types in vitro. Considerable progress has been made in identifying signaling pathways that direct the differentiation of human pluripotent stem cells (hPSCs) into specialized cell types, including neurons. However, differentiation of hPSCs with extrinsic factors is a slow, step-wise process, mimicking the protracted timing of human development. Using a small-molecule screen, we identified a combination of five small-molecule pathway inhibitors that yield hPSC-derived neurons at >75% efficiency within 10 d of differentiation. The resulting neurons express canonical markers and functional properties of human nociceptors, including tetrodotoxin (TTX)-resistant, SCN10A-dependent sodium currents and response to nociceptive stimuli such as ATP and capsaicin. Neuronal fate acquisition occurs about threefold faster than during in vivo development1, suggesting that use of small-molecule pathway inhibitors could become a general strategy for accelerating developmental timing in vitro. The quick and high-efficiency derivation of nociceptors offers unprecedented access to this medically relevant cell type for studies of human pain.

Human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are generated from somatic cells by ectopic expression of the 4 reprogramming factors (RFs) Oct-4, Sox2, Klf4, and c-Myc. To better define the stoichiometric requirements and dynamic expression patterns required for successful hiPSC induction, we generated 4 bicistronic lentiviral vectors encoding the 4 RFs co-expressed with discernable fluorescent proteins. Using this system, we define the optimal stoichiometry of RF expression to be highly sensitive to Oct4 dosage, and we demonstrate the impact that variations in the relative ratios of RF expression exert on the efficiency of hiPSC induction. Monitoring of expression of each individual RF in single cells during the course of reprogramming revealed that vector silencing follows acquisition of pluripotent cell markers. Pronounced lentiviral vector silencing was a characteristic of successfully reprogrammed hiPSC clones, but lack of complete silencing did not hinder hiPSC induction, maintenance, or directed differentiation. The vector system described here presents a powerful tool for mechanistic studies of reprogramming and the optimization of hiPSC generation.

Melanocytes are pigment-producing cells of neural crest (NC) origin that are responsible for protecting the skin against UV irradiation. Pluripotent stem cell (PSC) technology offers a promising approach for studying human melanocyte development and disease. Here, we report that timed exposure to activators of WNT, BMP, and EDN3 signaling triggers the sequential induction of NC and melanocyte precursor fates under dual-SMAD-inhibition conditions. Using a SOX10::GFP human embryonic stem cell (hESC) reporter line, we demonstrate that the temporal onset of WNT activation is particularly critical for human NC induction. Subsequent maturation of hESC-derived melanocytes yields pure populations that match the molecular and functional properties of adult melanocytes. Melanocytes from Hermansky-Pudlak syndrome and Chediak-Higashi syndrome patient-specific induced PSCs (iPSCs) faithfully reproduce the ultrastructural features of disease-associated pigmentation defects. Our data define a highly specific requirement for WNT signaling during NC induction and enable the generation of pure populations of human iPSC-derived melanocytes for faithful modeling of pigmentation disorders.