We found adult human stem cells that can generate, from a single cell, cells with the characteristics of the three germ layers. The cells are stress-tolerant and can be isolated from cultured skin fibroblasts or bone marrow stromal cells, or directly from bone marrow aspirates. These cells can self-renew; form characteristic cell clusters in suspension culture that express a set of genes associated with pluripotency; and can differentiate into endodermal, ectodermal, and mesodermal cells both in vitro and in vivo. When transplanted into immunodeficient mice by local or i.v. injection, the cells integrated into damaged skin, muscle, or liver and differentiated into cytokeratin 14-, dystrophin-, or albumin-positive cells in the respective tissues. Furthermore, they can be efficiently isolated as SSEA-3(+) cells. Unlike authentic ES cells, their proliferation activity is not very high and they do not form teratomas in immunodeficient mouse testes. Thus, nontumorigenic stem cells with the ability to generate the multiple cell types of the three germ layers can be obtained through easily accessible adult human mesenchymal cells without introducing exogenous genes. These unique cells will be beneficial for cell-based therapy and biomedical research.

The stochastic and elite models have been proposed for the mechanism of induced pluripotent stem (iPS) cell generation. In this study we report a system that supports the elite model. We previously identified multilineage-differentiating stress-enduring (Muse) cells in human dermal fibroblasts that are characterized by stress tolerance, expression of pluripotency markers, self-renewal, and the ability to differentiate into endodermal-, mesodermal-, and ectodermal-lineage cells from a single cell. They can be isolated as stage-specific embryonic antigen-3/CD105 double-positive cells. When human fibroblasts were separated into Muse and non-Muse cells and transduced with Oct3/4 , Sox2 , Klf4 , and c-Myc , iPS cells were generated exclusively from Muse cells but not from non-Muse cells. Although some colonies were formed from non-Muse cells, they were unlike iPS cells. Furthermore, epigenetic alterations were not seen, and some of the major pluripotency markers were not expressed for the entire period during iPS cell generation. These findings were confirmed further using cells transduced with a single polycistronic virus vector encoding all four factors. The results demonstrate that in adult human fibroblasts a subset of preexisting adult stem cells whose properties are similar in some respects to those of iPS cells selectively become iPS cells, but the remaining cells make no contribution to the generation of iPS cells. Therefore this system seems to fit the elite model rather than the stochastic model.