As embryonic stem cells become pluripotent, they may cause tumor development when injected into a host. Therefore, researchers are focusing heavily on the therapeutic potential of tissue-specific stem cells (adult stem cells) without resultant tumor formation. Adult stem cells can proliferate for a limited number of generations and are restricted to certain cell types (multipotent). Mature tissue cell types in mammals cannot be intrinsically dedifferentiated or transdifferentiated to adult stem cells. Hence, the technology of induced pluripotent stem cells (iPSCs) for reprogramming adult somatic cells was introduced in 2006, ushering in a new era in adult stem cell research. Although iPSCs have been widely used in the field, the approach has several limitations: instability of the reprogramming process, risk of incomplete reprogramming, and exposure to transgenes integrated into the cell genome. Two years before the introduction of the iPSC technique, the synthetic small molecule 2,6-disubstituted purine, called reversine, was introduced. Reversine can induce the dedifferentiation of committed cells into multipotent progenitor-type cells by reprogramming and converting adult cells to other cell types under appropriate stimuli. Thus, it can be used as a chemically induced multipotent cell agent to overcome the limitations of iPSCs. Also, as an alternative therapeutic approach for treating obesity, it can be used to generate beige cells by browning white adipocytes. While reversine has the potential to act as an anti-cancer agent, this review focuses on its role in differentiation, dedifferentiation, and transdifferentiation in somatic cells.
Jin Ryeol An;Seo-Yeong Mun;In Kyo Jung;Kwan Soo Kim;Chan Hyeok Kwon;Sun Ok Choi;Won Sun Park
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.27
no.3
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pp.267-275
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2023
Cardiotoxicity, particularly drug-induced Torsades de Pointes (TdP), is a concern in drug safety assessment. The recent establishment of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (human iPSC-CMs) has become an attractive human-based platform for predicting cardiotoxicity. Moreover, electrophysiological assessment of multiple cardiac ion channel blocks is emerging as an important parameter to recapitulate proarrhythmic cardiotoxicity. Therefore, we aimed to establish a novel in vitro multiple cardiac ion channel screening-based method using human iPSC-CMs to predict the drug-induced arrhythmogenic risk. To explain the cellular mechanisms underlying the cardiotoxicity of three representative TdP high- (sotalol), intermediate- (chlorpromazine), and low-risk (mexiletine) drugs, and their effects on the cardiac action potential (AP) waveform and voltage-gated ion channels were explored using human iPSC-CMs. In a proof-of-principle experiment, we investigated the effects of cardioactive channel inhibitors on the electrophysiological profile of human iPSC-CMs before evaluating the cardiotoxicity of these drugs. In human iPSC-CMs, sotalol prolonged the AP duration and reduced the total amplitude (TA) via selective inhibition of IKr and INa currents, which are associated with an increased risk of ventricular tachycardia TdP. In contrast, chlorpromazine did not affect the TA; however, it slightly increased AP duration via balanced inhibition of IKr and ICa currents. Moreover, mexiletine did not affect the TA, yet slightly reduced the AP duration via dominant inhibition of ICa currents, which are associated with a decreased risk of ventricular tachycardia TdP. Based on these results, we suggest that human iPSC-CMs can be extended to other preclinical protocols and can supplement drug safety assessments.
Yanna Liu;Yuehua Zhang;Zhaorui Ren;Fanyi Zeng;Jingbin Yan
Molecules and Cells
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v.46
no.4
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pp.219-230
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2023
Down syndrome (DS) is the most common autosomal aneuploidy caused by trisomy of chromosome 21. Previous studies demonstrated that DS affected mitochondrial functions, which may be associated with the abnormal development of the nervous system in patients with DS. Runt-related transcription factor 1 (RUNX1) is an encoding gene located on chromosome 21. It has been reported that RUNX1 may affect cell apoptosis via the mitochondrial pathway. The present study investigated whether RUNX1 plays a critical role in mitochondrial dysfunction in DS and explored the mechanism by which RUNX1 affects mitochondrial functions. Expression of RUNX1 was detected in induced pluripotent stem cells of patients with DS (DS-iPSCs) and normal iPSCs (N-iPSCs), and the mitochondrial functions were investigated in the current study. Subsequently, RUNX1 was overexpressed in N-iPSCs and inhibited in DS-iPSCs. The mitochondrial functions were investigated thoroughly, including reactive oxygen species levels, mitochondrial membrane potential, ATP content, and lysosomal activity. Finally, RNA-sequencing was used to explore the global expression pattern. It was observed that the expression levels of RUNX1 in DS-iPSCs were significantly higher than those in normal controls. Impaired mitochondrial functions were observed in DS-iPSCs. Of note, overexpression of RUNX1 in N-iPSCs resulted in mitochondrial dysfunction, while inhibition of RUNX1 expression could improve the mitochondrial function in DS-iPSCs. Global gene expression analysis indicated that overexpression of RUNX1 may promote the induction of apoptosis in DS-iPSCs by activating the PI3K/Akt signaling pathway. The present findings indicate that abnormal expression of RUNX1 may play a critical role in mitochondrial dysfunction in DS-iPSCs.
Regenerative therapy holds great promise in the development of cures of some untreatable diseases such as cardiovascular diseases, and pluripotent stem cells (PSCs) including induced PSCs (iPSCs) are the most important regenerative seed cells. Recently, differentiation of human PSCs into functional tissues and cells in vitro has been widely reported. However, although porcine reports are rare they are quite essential, as the pig is an important animal model for the in vitro generation of human organs. In this study, we reprogramed porcine embryonic fibroblasts into porcine iPSCs (piPSCs), and differentiated them into cluster of differentiation 31 (CD31)-positive endothelial cells (ECs) (piPSC-derived ECs, piPS-ECs) using an optimized single-layer culture method. During differentiation, we observed that a combination of GSK3β inhibitor (CHIR99021) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4) promoted mesodermal differentiation, resulting in higher proportions of CD31-positive cells than those from separate CHIR99021 or BMP4 treatment. Importantly, the piPS-ECs showed comparable morphological and functional properties to immortalized porcine aortic ECs, which are capable of taking up low-density lipoprotein and forming network structures on Matrigel. Our study, which is the first trial on a species other than human and mouse, has provided an optimized single-layer culture method for obtaining ECs from porcine PSCs. Our approach can be beneficial when evaluating autologous EC transplantation in pig models.
Aurora kinases inhibitors, including ZM447439 (ZM), which suppress cell division, have attracted a great deal of attention as potential novel anti-cancer drugs. Several recent studies have confirmed the anti-cancer effects of ZM in various cancer cell lines. However, there have been no studies regarding the cardiac safety of this agent. We performed several cytotoxicity, invasion and migration assays to examine the anti-cancer effects of ZM. To evaluate the potential effects of ZM on cardiac repolarisation, whole-cell patch-clamp experiments were performed with human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) and cells with heterogeneous cardiac ion channel expression. We also conducted a contractility assay with rat ventricular myocytes to determine the effects of ZM on myocardial contraction and/or relaxation. In tests to determine in vitro efficacy, ZM inhibited the proliferation of A549, H1299 (lung cancer), MCF-7 (breast cancer) and HepG2 (hepatoma) cell lines with $IC_{50}$ in the submicromolar range, and attenuated the invasive and metastatic capacity of A549 cells. In cardiac toxicity testing, ZM did not significantly affect $I_{Na}$, $I_{Ks}$ or $I_{K1}$, but decreased $I_{hERG}$ in a dose-dependent manner ($IC_{50}$: $6.53{\mu}M$). In action potential (AP) assay using hiPSC-CMs, ZM did not induce any changes in AP parameters up to $3{\mu}M$, but it at $10{\mu}M$ induced prolongation of AP duration. In summary, ZM showed potent broad-spectrum anti-tumor activity, but relatively low levels of cardiac side effects compared to the effective doses to tumor. Therefore, ZM has a potential to be a candidate as an anti-cancer with low cardiac toxicity.
MicroRNAs (miRNAs) are approximately 22 nucleotides of small noncoding RNAs that control gene expression at the posttranscriptional level through translational inhibition and destabilization of their target mRNAs. The miRNAs are phylogenetically conserved and have been shown to be instrumental in a wide variety of key biological processes including cell cycle regulation, apoptosis, metabolism, imprinting, and differentiation. Recently, a paper has shown that expression of the miRNA-302/367 cluster expressed abundantly in mouse and human embryonic stem cells (ESCs) can directly reprogram mouse and human somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) efficiently in the absence of any of the four factors, Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4. To apply this efficient method to porcine, we analyzed porcine genomic sequence containing predicted porcine miRNA-302/367 cluster through ENSEMBL database, generated a non-replicative episomal vector system including miRNA-302/367 cluster originated from porcine embryonic fibroblasts (PEF), and tried to make porcine iPSCs by transfection of the miRNA-302/367 cluster. Colonies expressing EGFP and forming compact shape were found, but they were not established as iPSC lines. Our data in this study show that pig miRNA-302/367 cluster could not satisfy requirement of PEF reprogramming conditions for pluripotency. To make pig iPSC lines by miRNA, further studies on the role of miRNAs in pluripotency and new trials of transfection with conventional reprogramming factors are needed.
Cells that have endogenous multipotent properties can be used as a starting source for the generation of induced pluripotent cells (iPSC). In addition, small molecules associated with epigenetic reprogramming are also widely used to enhance the multi- or pluripotency of such cells. Skinderived precursor cells (SKPs) are multipotent, sphereforming and embryonic neural crest-related precursor cells. These cells can be isolated from a juvenile or adult mammalian dermis. SKPs are also an efficient starting cell source for reprogramming and the generation of iPSCs because of the high expression levels of Sox2 and Klf4 in these cells as well as their endogenous multipotency. In this study, valproic acid (VPA), a histone deacetylase (HDAC) inhibitor, was tested in the generation of iPSCs as a potential enhancer of the reprogramming potential of SKPs. SKPs were isolated from the back skins of 5-6 week old C57BL/6 X DBA/2 F1 mice. After passage 3, the SKPs was treated with 2 mM of VPA and the quantitative real time RT-PCR was performed to quantify the expression of Oct4 and Klf4 (pluripotency specific genes), and Snai2 and Ngfr (neural crest specific genes). The results show that Oct4 and Klf4 expression was decreased by VPA treatment. However, there were no significant changes in neural crest specific gene expression following VPA treatment. Hence, although VPA is one of the most potent of the HDAC inhibitors, it does not enhance the reprogramming of multipotent skin precursor cells in mice.
Transfection is a gene delivery tool that is a popular means of manipulating cellular properties, such as induced pluripotent stem cell (iPSC) generation by reprogramming factors (Yamanaka factors). However, the efficiency of transfection needs to be improved. In the present study, three transfection protocols - non-liposomal transfection (NLT), magnetofection and electroporation - were compared by analysis of their transfection efficiencies and cell viabilities using human dental pulp cells (hDPC) and bovine fetal fibroblasts (bFF) as cell sources. Enhanced green fluorescent protein gene was used as the delivery indicator. For magnetofection, Polymag reagent was administrated. NLT, FuGENE-HD and X-treme GENE 9 DNA transfection reagents were used for NLT. For electroporation, the $Neon^{TM}$ and $NEPA21^{TM}$ electroporators were tested. $Neon^{TM}$ electroporation showed highest transfection efficiency when compared with NLT, magnetofection, and $NEPA21^{TM}$ electroporation, with transfection efficiency of about 33% in hDPC and 50% in bFF, based on viable cell population in each cell type. These results suggest that transfection by $Neon^{TM}$ electroporation can be used to deliver foreign genes efficiently in human and bovine somatic cells.
Seo, Ji-Hye;Jang, Si Won;Jeon, Young-Joo;Eun, So Young;Hong, Yean Ju;Do, Jeong Tae;Chae, Jung-il;Choi, Hyun Woo
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.32
no.10
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pp.1245-1252
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2022
Induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be generated from somatic cells using Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc (OSKM). Small molecules can enhance reprogramming. Licochalcone D (LCD), a flavonoid compound present mainly in the roots of Glycyrrhiza inflata, acts on known signaling pathways involved in transcriptional activity and signal transduction, including the PGC1-α and MAPK families. In this study, we demonstrated that LCD improved reprogramming efficiency. LCD-treated iPSCs (LCD-iPSCs) expressed pluripotency-related genes Oct4, Sox2, Nanog, and Prdm14. Moreover, LCD-iPSCs differentiated into all three germ layers in vitro and formed chimeras. The mesenchymal-to-epithelial transition (MET) is critical for somatic cell reprogramming. We found that the expression levels of mesenchymal genes (Snail2 and Twist) decreased and those of epithelial genes (DSP, Cldn3, Crb3, and Ocln) dramatically increased in OR-MEF (OG2+/+/ROSA26+/+) cells treated with LCD for 3 days, indicating that MET effectively occurred in LCD-treated OR-MEF cells. Thus, LCD enhanced the generation of iPSCs from somatic cells by promoting MET at the early stages of reprogramming.
Monogenic diseases are resulted from modifications in a single gene of human cells. Because their treatment with pharmacological medicine have a temporary effect, continuous nursing care and retreatment are required. Gene therapy, gene targeting and induced pluripotent stem cell (iPSC) are considered permanent treatment methods of them. In gene therapy, however, retroviral vectors that have potential toxicity caused by random insertion of harmful virus are used as vehicles for transferring genetic materials. On the other hand, gene targeting could replace and remove the modified gene though homologous recombination (HR) induced by site-specific endonucleases. This short review provides a brief overview on the recently tailored endonucleses with high selectivity for HR.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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