Embryonic stem cells (ESCs) and induced pluripotent stem cells (iPSCs) have been used as promising tools for regenerative medicine, disease modeling, and drug screening. Traditional and common strategies for pluripotent stem cell (PSC) differentiation toward disease-relevant cell types depend on sequential treatment of signaling molecules identified based on knowledge of developmental biology. However, these strategies suffer from low purity, inefficiency, and time-consuming culture conditions. A growing body of recent research has shown efficient cell fate reprogramming by forced expression of single or multiple transcription factors. Here, we review transcription factor-directed differentiation methods of PSCs toward neural, muscle, liver, and pancreatic endocrine cells. Potential applications and limitations are also discussed in order to establish future directions of this technique for therapeutic purposes.
Ha, Young-Eun;Shin, Jin-Sup;Lee, Dong-Yun;Rhim, Tai-Youn
Bulletin of the Korean Chemical Society
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제33권6호
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pp.1983-1988
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2012
Stem cell transplantation is emerging as a possible new treatment for liver cirrhosis, and recent animal studies have documented the benefits of stem cell therapy in a hepatic fibrosis model. However, the underlying mechanism of stem cell therapy is still unclear. Among the proposed mechanisms, the cell replacement mechanism is the oldest and most important, in which permanently damaged tissue can be replaced by normal tissue to restore function. In the present study, Cy5.5-labeled superparamagnetic iron oxide (SPIO) was used to label human mesenchymal stem cells. The uptake of fluorescently labeled nanoparticles enabled the detection and monitoring of the transplanted stem cells; therefore, we confirmed the direct incorporation and differentiation of SPIO into the hepatocyte-like transplanted stem cells by detecting human tyrosine aminotransferase (TAT), well-known enzymatic marker for hepatocyte-specific differentiation.
Cells assemble stress granules (SGs) to protect their RNAs from exposure to harmful chemical reactions induced by environmental stress. These SGs release RNAs, which resume translation once the stress is relieved. During stem cell differentiation, gene expression is altered to allow cells to adopt various functional and morphological features necessary to differentiate. This process induces stress within a cell, and cells that cannot overcome this stress die. Here, we investigated the role of SGs in the progression of stem cell differentiation. SGs aggregated during the neuronal differentiation of human bone marrow-mesenchymal stem cells, and not in cell lines that could not undergo differentiation. SGs were observed between one and three hours post-induction; RNA translation was restrained at the same time. Immediately after disassembly of SGs, the expression of the neuronal marker neurofilament-M (NF-M) gradually increased. Assembled SGs that persisted in cells were exposed to salubrinal, which inhibited the dephosphorylation of eukaryotic translation initiation factor 2 subunit 1 (eIF2α), and in eIF2α/S51D mutant cells. When eIF2α/S51A mutant cells differentiated, SGs were not assembled. In all experiments, the disruption of SGs was accompanied by delayed NF-M expression and the number of neuronally differentiated cells was decreased. Decreased differentiation was accompanied by decreased cell viability, indicating the necessity of SGs for preventing cell death during neuronal differentiation. Collectively, these results demonstrate the essential role of SGs during the neuronal differentiation of stem cells.
Neural stem cells (NSCs) can proliferate and differentiate into multiple cell types that constitute the nervous system. NSCs can be derived from developing fetuses, embryonic stem cells, or induced pluripotent stem cells. NSCs provide a good platform to screen drugs for neurodegenerative diseases and also have potential applications in regenerative medicine. Natural products have long been used as compounds to develop new drugs. In this review, natural products that control NSC fate and induce their differentiation into neurons or glia are discussed. These phytochemicals enable promising advances to be made in the treatment of neurodegenerative diseases.
Ji-Yeon Jung;Shintae Kim;Yeon-Woo Jeong;Won-Jae Kim
International Journal of Oral Biology
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제48권4호
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pp.33-44
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2023
In this review, the regulatory mechanisms of autophagy were described, and its interaction with apoptosis was identified. The role of autophagy in embryogenesis, tooth development, and cell differentiation were also investigated. Autophagy is regulated by various autophagy-related genes and those related to stress response. Highly active autophagy occurrences have been reported during cell differentiation before implantation after fertilization. Autophagy is involved in energy generation and supplies nutrients during early birth, essential to compensate for their deficient supply from the placenta. The contribution of autophagy during tooth development, such as the shape of the crown and root formation, ivory, and homeostasis in cells, was also observed. Genes control autophagy, and studying the role of autophagy in cell differentiation and development was useful for understanding human aging, illness, and health. In the future, the role of specific mechanisms in the development and differentiation of autophagy may increase the understanding of the pathological mechanisms of disease and development processes and is expected to reduce the treatment of various diseases by modulating the autophagic phenomenon.
Objective: To investigate the stem cell-like characteristics of human periodontal ligament (PDL) stromal cells outgrown from orthodontically extracted premolars and to evaluate the potential for myogenic differentiation. Methods: PDL stromal cells were obtained from extracted premolars by using the outgrowth method. Cell morphological features, self-replication capability, and the presence of cell-surface markers, along with osteogenic, adipogenic, and chondrogenic differentiation, were confirmed. In addition, myogenic differentiation was induced by the use of 5-aza-2'-deoxycytidine (5-Aza) for DNA demethylation. Results: PDL stromal cells showed growth patterns and morphological features similar to those of fibroblasts. In contrast, the proliferation rates of premolar PDL stromal cells were similar to those of bone marrow and adipogenic stem cells. PDL stromal cells expressed surface markers of human mesenchymal stem cells (i.e., CD90 and CD105), but not those of hematopoietic stem cells (i.e., CD31 and CD34). PDL stromal cells were differentiated into osteogenic, adipogenic, and chondrogenic lineages. Myotube structures were induced in PDL stromal cells after 5-Aza pretreatment, but not in the absence of 5-Aza pretreatment. Conclusions: PDL stromal cells isolated from extracted premolars can potentially be a good source of postnatal stem cells for oromaxillofacial regeneration in bone and muscle.
Choi, Mi Kyung;Seong, Ikjoo;Kang, Seon Ah;Kim, Jaesang
Molecules and Cells
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제37권4호
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pp.337-344
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2014
Adipose-derived stem cells represent a type of mesenchymal stem cells with the attendant capacity to self-renew and differentiate into multiple cell lineages. We have performed a microarray-based gene expression profiling of osteogenic differentiation and found that the transcription factor Sox11 is down-regulated during the process. Functional assays demonstrate that down-regulation of Sox11 is required for an efficient differentiation. Furthermore, results from forced expression of constitutively-active and dominant-negative derivatives of Sox11 indicate that Sox11 functions as a transcriptional activator in inhibiting osteogenesis. Sox11 thus represents a novel regulator of osteogenesis whose expression and activity can be potentially manipulated for controlled differentiation.
Tuan Anh Vuong;Yan Zhang;June Kim;Young-Eun Leem;Jong-Sun Kang
BMB Reports
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제57권7호
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pp.330-335
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2024
Arginine methylation, which is catalyzed by protein arginine methyltransferases (Prmts), is known to play a key role in various biological processes. However, the function of Prmts in osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) has not been clearly understood. In the current study, we attempted to elucidate a positive role of Prmt7 in osteogenic differentiation. Prmt7-depleted C3H/10T1/2 cells or bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) showed the attenuated expression of osteogenic specific genes and Alizarin red staining compared to the wild-type cells. Furthermore, we found that Prmt7 deficiency reduced the activation of bone morphogenetic protein (BMP) signaling cascade, which is essential for the regulation of cell fate commitment and osteogenesis. Taken together, our data indicate that Prmt7 plays important regulatory roles in osteogenic differentiation.
Background and Objectives: Endothelial progenitor cells (EPCs) and endothelial cells (ECs) have been applied in the clinic to treat pulmonary arterial hypertension (PAH), a disease characterized by disordered pulmonary vasculature. However, the lack of sufficient transplantable cells before the deterioration of disease condition is a current limitation to apply cell therapy in patients. It is necessary to differentiate pluripotent stem cells (PSCs) into EPCs and identify their characteristics. Methods and Results: Comparing previously reported methods of human PSCs-derived ECs, we optimized a highly efficient differentiation protocol to obtain cells that match the phenotype of isolated EPCs from healthy donors. The protocol is compatible with chemically defined medium (CDM), it could produce a large number of clinically applicable cells with low cost. Moreover, we also found PSCs-derived EPCs express CD133, have some characteristics of mesenchymal stem cells and are capable of homing to repair blood vessels in zebrafish xenograft assays. In addition, we further revealed that IPAH PSCs-derived EPCs have higher expression of proliferation-related genes and lower expression of immune-related genes than normal EPCs and PSCs-derived EPCs through microarray analysis. Conclusions: In conclusion, we optimized a highly efficient differentiation protocol to obtain PSCs-derived EPCs with the phenotypic and molecular characteristics of EPCs from healthy donors which distinguished them from EPCs from PAH.
최근 골수와 혈액으로 유래된 중간엽 줄기세포와 비슷한 능력을 가지는 것으로 알려진 지방 유래 중간엽줄기세포가 새로운 세포 치료제로 떠오르고 있다. 하지만 줄기세포를 이용하여 치료하려는 질병은 나이가 들어감에 따라 발병하는 퇴행성 질환들이 대부분인데, 노화가 진행됨에 따라 줄기세포의 능력이 차이가 있다고 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 노화가 일어남에 따라 발생되는 신경성 질환을 자가 유래 지방 중간엽 줄기세포를 이용하여 치료함에 있어서 노화가 진행됨에 따라 얻어진 지방줄기세포가 세포학적으로 변화는 없는지에 대해 줄기세포 성장능, 생존율과 신경세포로의 분화유도 능력을 비교하였다. 30대, 40대, 50대에서 사람 지방 유래 줄기세포를 분리 배양하여 연령별 계대에 따른 세포수와 생존율을 측정하고, 줄기세포 성장능력을 비교 분석하였고, 지방 줄기세포를 신경세포 배양 조건 하에서 10일 동안 배양하여 신경 분화능력을 연령별로 비교하였다. 실험결과, 세포수와 생존율, 세포 모양이 연령과 계대별에 의해 차이가 없다는 것을 확인하였다. 신경 분화 후 면역형광염색법을 통해 분석한 결과, 연령에 따른 신경 분화능력의 차이가 관찰되지 않았다. 분자 유전적학으로 신경세포 마커의 발현을 mRNA 수준에서 분석한 결과, 연령별 간의 차이가 몇 개의 유전자 발현을 제외하고는 차이가 발견되지 못했다. 하지만 계대가 진행될수록 50대군의 줄기세포에서 MAP2와 Sox2의 mRNA 발현이 30대군의 줄기세포에 비해 상대적으로 낮게 발현됨이 확인되었다. 결론적으로 자가 지방 중간엽 줄기세포의 신경세포 분화능력이 연령에 상관없이 차이가 없음이 관찰되었으며, 이는 나이 든 사람으로부터 얻어진 지방 줄기세포도 젊은 사람에서 얻어진 세포와 마찬가지 능력으로 자가 세포 치료제로 사용될 수 있다는 점을 말해주고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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