iPS細胞的遺傳缺陷

【資料簡介】

2006年日本科學家山中申彌利用病毒載體將四個轉錄因子（Oct4，Sox2，Klf4和c-myc）的組合轉入分化的體細胞中，使其重編程而得到了類似胚胎干細胞的一種細胞類型——誘導多能干細胞（iPS cells）。這種通過將*分化的體細胞重編程，不經胚胎階段而直接逆轉至多能干細胞狀態的iPS 細胞一度被視為zui有希望運用到再生醫學及新藥開發的重要資源，為人類各種遺傳性及功能性疾病的研究和治療帶來了新希望。然而近幾個月來，陸續有一些研究團體報道發現iPS 細胞存在著重編程錯誤及基因組不穩定性的缺陷，這些缺陷將有可能導致iPS 細胞的臨床治療潛能受到限制。

　　近日生物學期刊《自然》（Nature）雜志同期發表了三篇論文分別針對iPS細胞的點突變、拷貝數變異及DNA甲基化特征進行了研究，新研究發現或將促使研究人員更審慎地利用iPS細胞開展干細胞研究及臨床應用。

　　原文檢索：

　　Gore, A. et al. Somatic coding mutations in human induced pluripotent stem cells. Nature 471, 63–67 （2011）

　　ArticleHussein, S. M. et al. Copy number variation and selection during reprogramming to pluripotency. Nature 471, 58–62 （2011）

　　ArticleLister, R. et al. Hotspots of aberrant epigenomic reprogramming in human induced pluripotent stem cells. Nature 471, 68–73 （2011）

　　在*篇文章中，Gore等針對來自7個實驗室利用5種不同方法誘導人類成纖維細胞生成的22種iPS細胞系進行了外顯子組測序。研究人員在這些iPS細胞中確認了124個點突變，由此他們推測出每個iPS細胞基因組中約存在6個編碼區突變。值得注意的是，他們鑒別了多個有可能改變蛋白質功能的錯義突變，同時發現一些點突變富集于與癌癥相關的基因中。研究人員利用超深度測序（ultradeep sequencing）證實約一半的突變以低水平存在于起源的成纖維細胞群中，而另一半則發生在重編程過程中或之后。作者們認為這些突變負荷有可能是在重編程和培養過程中受到了選擇作用而并非重編程固有誘變作用的影響。

　　在第二篇論文中Hussein及同事研究了iPS細胞的基因組完整性。利用一種高分辨單核苷酸多態性（SNP）分析技術平臺，他們比較了大量人類胚胎干細胞（ESC）系、人類iPS細胞系以及起源的成纖維細胞系之間存在的拷貝數變異（CNV）的差異。研究人員證實相對于胚胎干細胞，iPS細胞有著更多的拷貝數變異，然而隨著細胞傳代這些變異數量逐漸減少。作者們證實在重編程過程中高比例地形成CNVs導致了早期幾代iPSC細胞群中的遺傳鑲嵌現象。在細胞增殖過程中，快速選擇淘汰了具有大量CNVs的細胞，從而使得iPSCs在晚期幾代中逐漸與胚胎干細胞相似。然而，作者謹慎地表示某些CNVs有可能為細胞提供了選擇利益。

　　在第三篇論文中，Lister等利用鳥槍法測序技術以單堿基分辨率在iPSCs, ESCs,體細胞以及由多能細胞分化的細胞中進行了全基因組DNA甲基化測定。研究人員發現盡管iPSCs和ESCs的甲基化組存在大量相似之處，然而研究的5個iPS細胞系與ESCs還是有著顯著的差異，某些差異甚至在分化后持續存在。而iPSCs之間的差異則體現在細胞中的甲基化標記上,這些甲基化標記代表了起源的體細胞類型的“記憶”效應以及其他一些iPSC特異性改變。值得注意的是這些細胞系之間顯示出了差異的甲基化區域（表明某些區域尤其易于發生異常的重編程）。在著絲粒和端粒附近的巨堿基區域顯示了非CG序列甲基化改變，與轉錄及組蛋白甲基化中的改變相關。

　　除了強調研究人員需要更仔細地鑒定iPS細胞系的特征，這些研究還針對細胞分裂和培養的相對影響，以及重編程中固有的分子事件提出了一些有趣的問題。