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诱导性多能干细胞最新研究进展

来源:本站原创 2017-08-31 22:58

2017年8月31日/生物谷BIOON/---诱导性多能干细胞(iPS细胞)最初是日本科学家山中伸弥(Shinya Yamanaka)团队在2006年利用病毒载体将四个转录因子(Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc)的组合转入到小鼠胚胎或皮肤纤维母细胞中,使其重编程而得到的类似胚胎干细胞的一种细胞类型。这些iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等都与胚胎干细胞极为相似。

2007年11月,由中国科学家俞君英领衔的Thompson实验室和山中伸弥实验室几乎同时报道,成功地诱导人皮肤纤维母细胞成为几乎与胚胎干细胞完全一样的iPS细胞,所不同的是日本实验室依然采用了用逆转录病毒引入Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种因子组合,而Thompson实验室采用了以慢病毒载体引入Oct4、Sox2加Nanog和LIN28这种因子组合。

相比于胚胎干细胞,iPS细胞不会产生伦理问题,而且利用宿主自身的成体细胞(如皮肤细胞、血细胞等)经重编程变成iPS细胞,将它们移植回相同个体,应该有可能不会引发免疫反应,此外iPS细胞非常适合用来构建疾病模型,不过将iPS细胞用于治疗时也有风险:让iPS细胞移植到体内时有可能会产生肿瘤。

基于此,小编针对近年来iPS细胞研究取得的进展,小编进行一番梳理,以飨读者。

1.Science子刊:源自雌性奄美刺鼠的诱导性多能干细胞能够分化为精细胞或卵母细胞
doi:10.1126/sciadv.1602179

图片来自Science Advances, doi:10.1126/sciadv.1602179

在大多数哺乳动物中,雌性动物具有两条X染色体,雄性动物具有一条X染色体和一条Y染色体。但是,雄性和雌性奄美刺鼠(Tokudaia osimensis)仅携带单条X染色体。奄美刺鼠是日本一个岛屿土生土长的频危啮齿类动物。在一项新的研究中,来自日本宫崎大学等研究结构的研究人员将来自一只雌性奄美刺鼠尾巴的成纤维细胞重编程为诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞)。这些iPS细胞在一种宿主有机体(即小鼠-奄美刺鼠嵌合体)中能够分化为雌性和雄性生殖细胞。相关研究结果发表在2017年5月12日的Science Advances期刊上,论文标题为“Flexible adaptation of male germ cells from female ipsCs of endangered Tokudaia osimensis”。论文通信作者为宫崎大学研究员Arata Honda。

这些研究人员在体外培养了来自一只雌性奄美刺鼠尾巴的成纤维细胞。在尝试过多种诱导条件和培养条件后,他们获得奄美刺鼠ips细胞系。他们将这些细胞系移植到小鼠囊胚中,随后将它们注射到代孕母小鼠中。

这些研究人员利用一种荧光标记追踪这些注射的iPS细胞,并且确定大约四分之一的胚胎和幼鼠是嵌合体。当研究成年嵌合体时,他们在多种组织(包括棕色的奄美刺鼠皮肤和毛发)中发现了iPS细胞。iPS细胞也产生精细胞和卵母细胞,但是由奄美刺鼠ips细胞产生的这些生殖细胞数量是比较低的。

2.Nature:构建出英国最大的人诱导性多能干细胞库,揭示出常见基因变异
doi:10.1038/nature22403


在一项新的研究中,一个包括英国韦尔科姆基金会桑格研究所在内的联盟构建出英国最大的高质量的源自健康人的人诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC, iPS细胞)库。这个iPS细胞库包含上百种干细胞系。在经过全面地标注之后,这些干细胞系可供独立研究,是科学家们研究人发育和疾病的一种强大的资源。相关研究结果于2017年5月10日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Common genetic variation drives molecular heterogeneity in human iPSCs”。

人诱导性多能干细胞计划(Human Induced Pluripotent Stem Cell Initiative, HipSci)利用标准化方法大规模地构建iPS细胞来研究健康人之间的差别。利用301名健康志愿者捐献的皮肤活组织构建参考干细胞库,并且构建来自每个人的多种干细胞系。

这些研究人员构建出711种干细胞系,并且获得关于它们的基因组、它们表达的蛋白和每个干细胞系的细胞生物学特征的详细信息。学术研究人员和产业人员能够获得HipSci产生的干细胞系和数据。

论文共同通信作者、伦敦国王学院研究员、HipSci副首席科学家Fiona Watt教授说,“很多构建干细胞的其他努力着重关注罕见疾病。在我们的研究中,我们构建出来自上百名健康志愿者的干细胞系来研究常见的基因变异。我们能够证实来自同一个人的多种iPS细胞系具有类似的特征,并且揭示出我们在iPS细胞系中观察到的高达46%的差异是由于个人之间的差异。这些数据将允许研究人员以健康人为参照研究疾病变异。”

3.两项研究利用人诱导性多能干细胞产生肺细胞,研究肺部疾病
doi:10.1172/JCI89950; doi:10.1016/j.stem.2017.03.001


多年来,研究囊性纤维化等肺部疾病的科学家们试图自始至终详细地追踪这些疾病的致病过程,以便理解肺部如何在正常情形下形成,从而可能有助解释是什么发生差错。如今,来自美国波士顿大学再生医学中心(Center for Regenerative Medicine, CReM)的研究人员宣布了他们取得两项重大的发现而有助进一步加深我们对这种过程的理解:培养和纯化由人干细胞产生的最早肺祖细胞(一种未成熟的肺细胞)的能力;让这些干细胞分化为微小的“支气管球体(bronchosphere)”的能力,这种支气管球体可用来构建囊性纤维化的疾病模型。他们希望这些结果将会导致人们开发出新的“个人化疗法”来治疗肺部疾病。第一项研究结果于2017年5月2日在线发表在Journal of Clinical Investigation期刊上,论文标题为“Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells”。第二项研究结果于2017年3月30日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling”。

CReM研究人员利用人诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)开展研究。他们获得人体中的成体细胞(如血细胞或皮肤细胞),将它们 “重编程”为iPSC。iPSC能够产生任何一种器官中的细胞。近年来,几个科学家小组利用人ipsC培育出肺细胞,但是他们的配方并不是完美的:所产生的肺细胞与许多肝细胞、肠道细胞和其他的组织细胞一起生长。 首先,波士顿大学医学院医科助理教授Finn Hawkins需要一种方法来鉴定这些肺细胞。Kotton和其他的CReM研究人员之前开展的研究已证实小鼠干细胞在分化为肺细胞的“命运决定”时刻表达Nkx2-1基因。Hawkins说,“这是表明肺细胞身份的第一个表达的基因。”Kotton构建出一个报告基因,使得这些小鼠干细胞首次表达Nkx2-1时会发出绿色荧光。Hawkins将这个相同的报告基因导入到人细胞中。如今,他能够轻松地观察到和纯化发出绿色荧光的肺细胞。

利用一台流式细胞仪,Hawkins和他的同事们从利用ipsC产生的细胞混合物中分离出发出绿色荧光的肺细胞,随后在一种基质中培养它们。Hawkins说,结果就是形成微小的发出绿色荧光的球体,该球体长大约0.5毫米,“由纯的早期肺细胞群体组成”。Hawkins团队将这种微小的球体称为“类器官(organoids)”,这种类器官含有关键的肺细胞类型。这种类器官允许科学家们详细地研究人肺部发育中的关键时刻。Hawkins说,“我们已发现在小鼠等其他物种中控制肺部发育的很多基因也在这些人肺细胞中表达。”

在第二项研究中,论文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley对囊性纤维化感兴趣。囊性纤维化是一种由单个基因CFTR发生突变导致的肺部疾病。这种突变导致病人的肺部产生厚厚的粘稠的粘液,从而导致感染和炎症,最终导致肺功能衰竭。对很多病人而言,没有治愈这种疾病的方法。

研究这种疾病最早阶段的McCauley想要利用Hawkins纯化出的肺细胞开展下一步研究,和找出它们如何变成气道细胞。通过很多辛苦的实验,她着重关注Wnt信号通路。已知这种信号通路在小鼠肺部发育中发挥着重要的作用。通过关闭这个信号通路,她指导这些未成熟的肺细胞变成气道细胞。随后,她将它们培养成微小的“支气管球体”。

作为一项概念验证,McCauley从一名囊性纤维化病人体内获得两种细胞系:一种细胞系携带着导致这种疾病的CFTR突变,但已被校正;另一种细胞系也携带这种突变,但未被校正。她将这些细胞系培养成支气管球体。为了观察她的方法是否起作用,她开展测试,并且使用应当导致由正常的功能性细胞组成的支气管球体充满液体的药物。它确实起作用了:这些得到“校正的”支气管球体对这种药物作出反应,开始变得肿胀起来,而未得到校正的支气管球体并不会作出反应。McCauley说,“精彩的地方在于我们利用高通量显微镜对这一点进行测量,随后我们计算了支气管球体面积随着时间的变化。因此,我们如今能够定量地评价CFTR功能。”

4.Cell:深入认识诱导性多能干细胞产生过程
doi:10.1016/j.cell.2017.01.004

图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2017.01.004

在一项新的研究中,来自美国加州大学洛杉矶分校伊莱和伊迪特-布罗德再生医学与干细胞研究中心的研究人员证实特定蛋白如何能够改变皮肤细胞的身份或者说细胞特征,和产生诱导性多能干细胞(iPS细胞)。ips细胞能够转化为体内任何一种细胞类型。这项研究可能影响治愈疾病的健康组织形成。相关研究结果发表在2017年1月26日那期Cell期刊上,论文标题为“Cooperative Binding of Transcription Factors Orchestrates Reprogramming”。

通过一种涉及加入被称作转录因子的蛋白的过程,组织特异性细胞经重编程返回到一种多能性状态。四种特定的转录因子(Oct4, Sox2, Klf4和cMyc)通常用于这种重编程过程中。这些转录因子导致组织特异性细胞关闭它自己的身份和激活多能性细胞的特征。然而,科学家们并没有详细地了解这四种转录因子如何影响这种过程。特别地,这些转录因子如何抑制组织特异性细胞的身份是不清楚的,这是因为它们通常并不作为抑制剂发挥功能。

在这项新的研究中,研究人员将这四种转录因子加入到小鼠皮肤细胞中,绘制这些转录因子与这种细胞DNA的相互作用图谱。他们鉴定出改变细胞身份的DNA位点,从而获得关于这些DNA位点如何对这些细胞产生这种影响提供独特的认识。当他们分析这些数据时,他们取得两项关键的发现:这些转录因子同时地关闭小鼠皮肤细胞的身份和激活多能性;在这四种转录因子中,有三种转录因子需要合作定位和调节这些DNA位点。

进一步地,研究人员利用这些数据预测哪些额外的转录因子可能增强这种细胞重编程过程,随后加入第五种转录因子到这些小鼠皮肤细胞中。这种新的转录因子组合更加高效地抑制这些组织特异性细胞的身份,这会加快转变到多能性状态,100倍地增加这种细胞重编程过程的效率。

5.利用iPS细胞和ES细胞制成可吸收营养并蠕动的微型小肠

日本国立成育医疗研究中心等组成的研究小组,利用人类胚胎干细胞(ES细胞)和多功能干细胞(ips细胞),培育出1厘米左右的小肠,并观察到其成功吸收营养的动作。这是世界上第一次成功做到上皮组织、肌肉、神经等细胞协同联动。

为了将细胞培养成立体化的组织,研究小组将ES细胞置于拥有格子状微小圆型接触面的培养器皿中,再加入许多促进生长的蛋白质,进行培养。一个月后,形成了约800个圆柱状的组织;再经一个月后,形成了"微肠";对"微肠"进行研究后,发现其作出了通过收缩将食物向外排送的"蠕动",并且对蛋白质进行了吸收;接着,将该组织移植到老鼠肾脏,发现两个月后该组织依然存活。研究小组利用人类的ips细胞也成功制作了同样的组织。

美中不足的是,培育出的组织中没有血管和具有免疫功能的淋巴节。目前研究人员首先想将该组织用于药品评价中,用患者ips细胞制作出肠道,一边破解其发病机理,一边考虑移植应用。这一技术估计10年后应用于临床。

这一成果发表于1月12日美国《临床研究学会杂志》电子版。

6.Nature:重大突破!科学家利用人类iPS细胞重建眼部角膜组织功能
doi:10.1038/nature17000


近日,刊登于国际杂志Nature上的一项研究报告中,来自大阪大学医学院的科学家们通过研究开发了一种2D培养系统,该系统可以通过促进人类诱导多能干细胞(iPS细胞)的自发分化来模拟整个眼睛的发育过程。

过去研究中,研究者仅仅描述了一种特殊技术可以产生眼睛后部分,即视网膜、视网膜色素上皮细胞等;而本文中研究者开发的这种新技术能够同时产生眼睛的前部分(角质层和晶状体等)和后部分(视网膜和视网膜色素上皮细胞等),而这项研究发现属世界首次。

本文研究中,研究者开发的新型培养系统可以利用人类iPS细胞来产生一种2维的结构,这种结构是一种自发形成的外胚层多重区域(SEAM),其包括4个细胞的同心区;在发育期间组成眼睛的大部分群体细胞都是在SEAM的特殊位置形成的,比如角膜上皮细胞、视网膜细胞以及晶状体的上皮细胞等。

本文研究中,研究者从SEAM的第三个区域中成功分离到了角膜上皮祖细胞,从而成功地制造出了功能性的角膜上皮组织。同时研究者通过将其移植到动物模型中进行研究,证实了人类iPS细胞形成的角膜上皮组织的治疗效力。

7.PNAS:科学家证实:诱导多能干细胞并不会增加遗传突变发生的概率
doi:10.1073/pnas.1616035114

尽管存在巨大潜力,但在医学和药物研究中科学家们依然非常谨慎且缓慢地使用诱导多能干细胞(iPSCs),因为这些细胞非常易于增加机体遗传突变的数量。近日,一项刊登在国际杂志Proceedings of the National Academy of Sciences上的研究报告中,来自美国国家基因组研究所(National Human Genome Research Institute)的研究人员通过研究表示,相比亚克隆复制的细胞而言,iPSCs似乎并不太会产生过多突变,亚克隆化是一种特殊的技术,即对单一细胞进行单独培养,随后让其生长成为细胞系,这种技术类似于制造iPSCs的过程,但其能够排除掉未利用重编程因子进行处理且容易产生突变的亚克隆细胞。

研究者Pu Paul Liu博士表示,这项新技术最终或将改变医生对患者疾病的治疗手段,同时本文研究表明,利用iPSCs的安全性问题似乎并不会阻碍研究的进行。文章中研究人员对两组所捐献的细胞进行了检测,其中一组细胞来自健康个体,另外一组细胞则来自患家族性血小板障碍的患者机体中,利用来自相同捐赠者的皮肤细胞进行研究,研究人员就利用iPSCs和亚克隆技术开发出了在遗传特性上相同的细胞拷贝,随后研究人员对皮肤细胞、iPSCs以及亚克隆细胞的DNA进行测序,并且确定这些细胞的突变会以相同的速度发生。

研究者在iPSCs和亚克隆细胞中发现的大多数遗传突变都是来自亲本皮肤细胞中的罕见遗传突变。而且相关研究结果表明,iPSCs中的大多数突变并不会在重编程或者iPSC产生的过程中产生,这就为研究人员提供了一定证据来表明,iPSCs是非常稳定的,而且其在基础和临床研究中能够安全使用。

8.Nat Biotechnol:重磅!老化会增加诱导多能干细胞的DNA突变频率
doi:10.1038/nbt.3749


在很大程度上,老化过程对极具治疗潜力的干细胞并不友好,日前,一项刊登在国际杂志Nature Biotechnology上的一篇研究报告中,斯克里普斯转化科学研究所等机构的研究人员通过研究老化对诱导多能干细胞(iPSCs)的影响,结果发现,随着干细胞供体年龄增加,其干细胞中遗传突变的水平也会增加。

这项研究就强调了在利用iPSCs进行治疗前,应当对iPSCs携带的有害DNA突变进行及时严格地筛选;研究者Torkamani说道,随着细胞分裂就会有突变发生,随着时间不断延续,这些突变风险就会不断增加,我们研究发现,在年龄较大的供体机体中其iPSCs中往往携带突变的风险较高。而且供体在其80岁时机体iPSCs中蛋白编码基因含有的突变是其20岁时突变的2倍。

这样研究者就可以做出一种随着年龄增长的可预测线性跟踪,但很不幸的是,90岁及以上供体机体血细胞中的iPSCs所含有的突变远比科学家们预测的要少很多,实际上,这些年长者机体中的干细胞携带的突变数量同二分之一至三分之二的年龄供体机体iPSCs携带的突变一样;研究者认为这或许是因为老年人机体血液干细胞的突变较少或许是因为随着年龄增长其细胞分裂频率降低而致。

医学博士Eric Topol说道,利用基于iPSCs的疗法目前在日本开始应用于治疗年龄相关的老年性黄斑退化症,因此深入理解老化对这些干细胞的影响对于后期开发基于干细胞的疾病治疗手段显得非常关键。研究者表示,在iPSCs中鉴别出的336个不同的突变中,有24个都是位于基因中的突变,一旦其功能异常就会损伤细胞的功能并且诱发肿瘤生长。

9.Cell Rep:移除“书签”为获得诱导多能干细胞铺平道路
doi:10.1016/j.celrep.2016.08.060

近日,来自美国阿拉巴马大学的研究人员在国际学术期刊Cell Reports上发表了一项最新研究进展,他们找到利用化合物促进体细胞重编程获得诱导多能干细胞的新方法。

在这项研究中,研究人员找到了一种新策略,他们利用小分子化合物干扰体细胞的转录记忆帮助体细胞重编程获得多能干性。研究人员发现靶向BET家族蛋白乙酰赖氨酸结合口袋的小分子化合物能够大大增强重编程过程。更进一步研究表明小分子化合物靶向BET的bromodomains能够下调或关闭成纤维细胞的体细胞基因表达,还会在重编程早期阶段导致成纤维细胞形态丧失。

研究人员提出了一个用于解释实验结果的模型:在正常的细胞分裂过程中,活跃的成纤维细胞基因在有丝分裂时期因为BET蛋白与乙酰化的染色质结合被打上标签,而RNA 聚合酶II则从染色质上脱落。在细胞分裂间期开始的时候,这些标签会指导聚合酶回到需要转录的基因上,随后开始基因的转录。而加入化合物抑制剂之后,因小分子化合物与BET蛋白的结合,在有丝分裂阶段活跃的成纤维细胞基因被去掉标签,这会导致成纤维细胞相关基因的表观遗传记忆被清除,当重新进入细胞分裂间期,与成纤维细胞有关的基因转录无法启动,增强了体细胞重编程变为诱导多能干细胞的能力。

10.Cell Stem Cell:原始细胞类型或并不会影响诱导多能干细胞分化为血液细胞
doi:10.1016/j.stem.2016.06.019


将细胞重编程为血液细胞的效力被认为依赖于原始细胞的类型及重编程的方法,近日刊登于国际杂志Cell Stem Cell上的一项研究报告中,来自日本京都大学iPS细胞研究所(CiRA)的研究人员通过研究表示,这种假设实际上是表观遗传效应的结果,这也就表明,生成细胞(原始细胞)和重编程方法对于血液制造是可行的。

细胞重编程包括利用一种类型的细胞来制造另一种类型的细胞,从理论上来讲,所有的细胞都能够被重编程,但有研究证据表明,原始细胞可以影响其被重编程后形成的细胞类型;但一般情况下,原始细胞可以从供体机体中很容易获得,并且作为四种类型细胞中的一种,即成纤维细胞、角化细胞、外围和脐带血及牙髓细胞;全世界的实验室目前都能够利用不同的原始细胞来制造诱导多能干细胞系(iPS细胞系),而原始细胞的潜在影响往往对于再生医学及其它应用具有深远的意义,研究者认为,我们应当根据所要得到的细胞类型来选择不同的细胞系。

另外一个促进iPS细胞系分化效率的主要因素就是制造iPS细胞的方法,目前很多方法可用,但研究者表示,最常见的方法还是反转录病毒、游离型质粒及仙台病毒方法;血液是由扮演多种功能的多种类型细胞组成的群体,其中包括携带氧气、伤口愈合、抵御感染等,然而临床级别血液的产生依然是重编程研究领域的主要目标,为了调查在细胞分化过程中原始细胞转变成为造血细胞的贡献,研究者Yoshida的实验室利用原始细胞及多种重编程的方法对iPS细胞系进行了深入的调查。

有意思的是,研究者发现,上述所有的因素都并不会产生明显的效应,相反,特定基因的表达和DNA甲基化就可以作为指示原始细胞被转化成为造血细胞系效率较好的指示器,研究者Masatoshi Nishizawa说道,我们发现,IFG2基因可以标记重编程为造血细胞的开始阶段,而且生长激素IFG2(胰岛素样生长因子2)的高表达往往可以指示iPS细胞开始转化成为造血细胞,尽管IGF2本身和造血作用并不直接相关,但其摄入往往和基因表达增加直接相关。(生物谷 Bioon.com)

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