Promoting Pluripotency A specialized mammalian cell can be set back to the pluripotent state either by transfer of the somatic cell nucleus into an oocyte or by delivery of exogenous pluripotency-associated transcription factors. Hou et al. (p. 651 , published online 18 July) developed an approach to induce pluripotency in somatic cells using a cocktail of small molecules. The ability to generate such chemically induced pluripotent stem cells may provide an alternate route for therapeutic cloning and for drug development in regenerative medicine.

Human fibroblasts can be induced into pluripotent stem cells (iPSCs), but the reprogramming efficiency is quite low. Here, we screened a panel of candidate factors in the presence of OCT4, SOX2, KLF4, and c-MYC in an effort to improve the reprogramming efficiency from human adult fibroblasts. We found that p53 siRNA and UTF1 enhanced the efficiency of iPSC generation up to 100-fold, even when the oncogene c-MYC was removed from the combinations.

The introduction of four transcription factors Oct4, Klf4, Sox2 and c-Myc by viral transduction can induce reprogramming of somatic cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs), but the use of iPSCs is hindered by the use of viral delivery systems. Chemical-induced reprogramming offers a novel approach to generating iPSCs without any viral vector-based genetic modification. Previous reports showed that several small molecules could replace some of the reprogramming factors although at least two transcription factors, Oct4 and Klf4, are still required to generate iPSCs from mouse embryonic fibroblasts. Here, we identify a specific chemical combination, which is sufficient to permit reprogramming from mouse embryonic and adult fibroblasts in the presence of a single transcription factor, Oct4, within 20 days, replacing Sox2, Klf4 and c-Myc. The iPSCs generated using this treatment resembled mouse embryonic stem cells in terms of global gene expression profile, epigenetic status and pluripotency both in vitro and in vivo. We also found that 8 days of Oct4 induction was sufficient to enable Oct4-induced reprogramming in the presence of the small molecules, which suggests that reprogramming was initiated within the first 8 days and was independent of continuous exogenous Oct4 expression. These discoveries will aid in the future generation of iPSCs without genetic modification, as well as elucidating the molecular mechanisms that underlie the reprogramming process.

The prospect of changing the plasticity of terminally differentiated cells toward pluripotency has completely altered the outlook for biomedical research. Human-induced pluripotent stem cells (iPSCs) provide a new source of therapeutic cells free from the ethical issues or immune barriers of human embryonic stem cells. iPSCs also confer considerable advantages over conventional methods of studying human diseases. Since its advent, iPSC technology has expanded with 3 major applications: disease modeling, regenerative therapy, and drug discovery. Here we discuss, in a comprehensive manner, the recent advances in iPSC technology in relation to basic, clinical, and population health.

ABSTRACT The advent of human induced pluripotent stem cells (iPSCs) presents unprecedented opportunities to model human diseases. Differentiated cells derived from iPSCs in two-dimensional (2D) monolayers have proven to be a relatively simple tool for exploring disease pathogenesis and underlying mechanisms. In this Spotlight article, we discuss the progress and limitations of the current 2D iPSC disease-modeling platform, as well as recent advancements in the development of human iPSC models that mimic in vivo tissues and organs at the three-dimensional (3D) level. Recent bioengineering approaches have begun to combine different 3D organoid types into a single ‘4D multi-organ system’. We summarize the advantages of this approach and speculate on the future role of 4D multi-organ systems in human disease modeling.

Endothelial cells (ECs) display considerable functional heterogeneity depending on the vessel and tissue in which they are located. Whereas these functional differences are presumably imprinted in the transcriptome, the pathways and networks that sustain EC heterogeneity have not been fully delineated.To investigate the transcriptomic basis of EC specificity, we analyzed single-cell RNA sequencing data from tissue-specific mouse ECs generated by the Tabula Muris consortium. We used a number of bioinformatics tools to uncover markers and sources of EC heterogeneity from single-cell RNA sequencing data.We found a strong correlation between tissue-specific EC transcriptomic measurements generated by either single-cell RNA sequencing or bulk RNA sequencing, thus validating the approach. Using a graph-based clustering algorithm, we found that certain tissue-specific ECs cluster strongly by tissue (eg, liver, brain), whereas others (ie, adipose, heart) have considerable transcriptomic overlap with ECs from other tissues. We identified novel markers of tissue-specific ECs and signaling pathways that may be involved in maintaining their identity. Sex was a considerable source of heterogeneity in the endothelial transcriptome and we discovered Lars2 to be a gene that is highly enriched in ECs from male mice. We found that markers of heart and lung ECs in mice were conserved in human fetal heart and lung ECs. We identified potential angiocrine interactions between tissue-specific ECs and other cell types by analyzing ligand and receptor expression patterns.We used single-cell RNA sequencing data generated by the Tabula Muris consortium to uncover transcriptional networks that maintain tissue-specific EC identity and to identify novel angiocrine and functional relationships between tissue-specific ECs.

Understanding individual susceptibility to drug-induced cardiotoxicity is key to improving patient safety and preventing drug attrition. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) enable the study of pharmacological and toxicological responses in patient-specific cardiomyocytes (CMs) and may serve as preclinical platforms for precision medicine. Transcriptome profiling in hiPSC-CMs from seven individuals lacking known cardiovascular disease-associated mutations and in three isogenic human heart tissue and hiPSC-CM pairs showed greater inter-patient variation than intra-patient variation, verifying that reprogramming and differentiation preserve patient-specific gene expression, particularly in metabolic and stress-response genes. Transcriptome-based toxicology analysis predicted and risk-stratified patient-specific susceptibility to cardiotoxicity, and functional assays in hiPSC-CMs using tacrolimus and rosiglitazone, drugs targeting pathways predicted to produce cardiotoxicity, validated inter-patient differential responses. CRISPR/Cas9-mediated pathway correction prevented drug-induced cardiotoxicity. Our data suggest that hiPSC-CMs can be used in vitro to predict and validate patient-specific drug safety and efficacy, potentially enabling future clinical approaches to precision medicine.

Highlights•TBX5Clover2 and NKX2-5TagRFP reporter enables purification of 4 cardiac subpopulations•Different cardiac lineages differentiate into specific cardiac cell types•CORIN is a cell-surface marker for the TBX5+NKX2-5+ subpopulation•Lineage-specific cardiomyocyte subtypes can be used for precise drug testingSummaryThe diversity of cardiac lineages contributes to the heterogeneity of human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived cardiomyocytes (CMs). Here, we report the generation of a hiPSC TBX5Clover2 and NKX2-5TagRFP double reporter to delineate cardiac lineages and isolate lineage-specific subpopulations. Molecular analyses reveal that four different subpopulations can be isolated based on the differential expression of TBX5 and NKX2-5, TBX5+NKX2-5+, TBX5+NKX2-5−, TBX5−NKX2-5+, and TBX5−NKX2-5−, mimicking the first heart field, epicardial, second heart field, and endothelial lineages, respectively. Genetic and functional characterization indicates that each subpopulation differentiates into specific cardiac cells. We further identify CORIN as a cell-surface marker for isolating the TBX5+NKX2-5+ subpopulation and demonstrate the use of lineage-specific CMs for precise drug testing. We anticipate that this tool will facilitate the investigation of cardiac lineage specification and isolation of specific cardiac subpopulations for drug screening, tissue engineering, and disease modeling.Graphical abstract

The derivation of hepatic progenitor cells from human embryonic stem (hES) cells is of value both in the study of early human liver organogenesis and in the creation of an unlimited source of donor cells for hepatocyte transplantation therapy. Here, we report for the first time the generation of hepatic progenitor cells derived from hES cells. Hepatic endoderm cells were generated by activating FGF and BMP pathways and were then purified by fluorescence activated cell sorting using a newly identified surface marker, N-cadherin. After co-culture with STO feeder cells, these purified hepatic endoderm cells yielded hepatic progenitor colonies, which possessed the proliferation potential to be cultured for an extended period of more than 100 days. With extensive expansion, they co-expressed the hepatic marker AFP and the biliary lineage marker KRT7 and maintained bipotential differentiation capacity. They were able to differentiate into hepatocyte-like cells, which expressed ALB and AAT, and into cholangiocyte-like cells, which formed duct-like cyst structures, expressed KRT19 and KRT7, and acquired epithelial polarity. In conclusion, this is the first report of the generation of proliferative and bipotential hepatic progenitor cells from hES cells. These hES cell–derived hepatic progenitor cells could be effectively used as an in vitro model for studying the mechanisms of hepatic stem/progenitor cell origin, self-renewal and differentiation.

With extended stays aboard the International Space Station (ISS) becoming commonplace, there is a need to better understand the effects of microgravity on cardiac function. We utilized human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) to study the effects of microgravity on cell-level cardiac function and gene expression. The hiPSC-CMs were cultured aboard the ISS for 5.5 weeks and their gene expression, structure, and functions were compared with ground control hiPSC-CMs. Exposure to microgravity on the ISS caused alterations in hiPSC-CM calcium handling. RNA-sequencing analysis demonstrated that 2,635 genes were differentially expressed among flight, post-flight, and ground control samples, including genes involved in mitochondrial metabolism. This study represents the first use of hiPSC technology to model the effects of spaceflight on human cardiomyocyte structure and function.