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iPS细胞对人类疾病研究工作的意义

更新:2010年04月18日 阅读次数: 【字体:

长久以来,能够获得大量与患者个人遗传背景相匹配的细胞一直都是再生医学领域的一大梦想。因为取自患者本人的细胞系一点也不会影响治疗,而且还有可能为该病种构建体外模型提供基础研究所需的材料。在培养皿中培养这些携带疾病基因型的细胞,重建整个病理过程并用这些细胞构建体外疾病模型,这一整套研究方法能帮助我们了解疾病背后的分子机制,还能为药物研发提供很好的研究及筛选材料。

1. iPS细胞技术的出现彻底改变了人类疾病的建模工作

多年来,体细胞核转移(SCNT)技术一直都被认为是制备患者个人特异性细胞系的不二选择,因为我们曾经借助SCNT技术成功获得了克隆动物多莉羊。不过在多莉羊出生后的第15年,在利用SCNT技术成功获得小鼠胚胎干细胞后第10年的今天,我们还是无法利用SCNT技术获得人体胚胎干细胞(hESC)。而且要获得人体卵细胞还将面临伦理道德问题和实际工作的困难,这也是阻碍人体SCNT研究发展的一大障碍。要获得hESC还有一个更加实际的办法,那就是用植入前遗传诊断技术(文后小词典)筛选出携带疾病遗传表型的胚胎,然后再从这些胚胎中筛选出hESC。我们已经利用这种PGD-hESC技术获得了一些具有遗传疾病特异性的hESC,不过我们几乎没能利用这些细胞成功构建出疾病模型。制备PGD-hESC细胞需要在人体胚胎早期就进行筛选,现在这种细胞只能用于可被PGD技术筛选出来的疾病研究工作当中,因此我们还需要更为专业的筛选技术和hESC制备技术。

诱导多潜能干细胞(iPS细胞)技术的出现彻底改变了人类疾病的建模工作。日本科学家Shinya Yamanaka发明的这种iPS细胞技术能让体细胞重编程为多潜能干细胞样细胞,而且制备方法简单,只需要将几个关键的与细胞多潜能状态有关的转录因子转入体细胞并使其过表达就可以了。自从报道了第一例来源于小鼠的iPS细胞以来,这个研究领域就一直以极其迅猛的速度发展,并解决了很多有关iPS细胞多潜能状态的问题。

研究发现,小鼠iPS细胞能够以形成嵌合体后代的方式形成生殖细胞,而且能够在四倍体胚胎互补实验中发育成为完全由iPS细胞发育而来的完整子代小鼠。有关人体iPS细胞的研究也获得了飞速的发展,很多问题都很快得到了解决。几年前还很难获得的患者特异性和疾病特异性细胞到现在已经不再是什么难事了,在很多实验室这甚至已经成为了常规操作项目。

2. 构建疾病模型:我们该站在何处?

虽然iPS技术还有很多地方需要完善,但它已经在构建疾病模型方面显露出明显的优势。不过,目前最需要优先解决的问题是如何避免外源性转入基因插入宿主细胞基因组(图1)。在iPS细胞构建疾病模型方面开展得最早的一项研究只是简单证明了使用iPS技术能够获得疾病特异性的iPS细胞,同时也构建了一些病种特异性的iPS细胞。获得了这些具有疾病特异性的iPS细胞之后,接下来的工作就是将这些细胞分化成在发病过程中相应的受累细胞系。比如源自缓慢进展型肌萎缩性脊髓侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)患者的iPS细胞分化出的脊髓运动神经元细胞和源自七名散发帕金森综合症(sporadic Parkinson’s disease)患者的iPS细胞分化出的多巴胺能神经元细胞等等。

iPS细胞对人类疾病研究工作的意义

这些早期的研究工作既没有尝试对细胞开展任何与疾病表型相关的鉴定工作,也没有发现任何与疾病有关的表型。不过,最近开展的一些研究已经开始从事这方面的工作了,他们希望利用这些细胞在体外构建疾病模型来研究发病机理,同时也可以利用这些模型进行药物筛选。

一项早期的研究报道称从一名3岁的脊髓性肌萎缩(spinal muscular atrophy, SMA,该疾病是一种发病年龄很早的运动神经紊乱性疾病)患儿细胞重编程获得的iPS细胞分化得到了具有SMA疾病表型的运动神经元细胞,即SMA-iPSC。该研究报道称从SMA-iPSC分化获得了完整的运动神经元细胞,但是该细胞的存活能力不强。这种具有SMA疾病特异性iPS细胞来源的运动神经元细胞内SMN蛋白的表达水平降低,缺乏包含SMN蛋白的核内聚集体结构——gem。研究还发现,如果给这些细胞使用丙戊酸(valproic acid)或妥布霉素(tobramycin)等已经在小鼠SMA动物模型中证实能够上调SMN蛋白表达水平的药物,细胞内SMN蛋白的表达水平也能得到极大的提高,而且gem的数量也有明显增多。

Gabsang Lee和Lorenz Studer也利用iPS细胞从事了疾病建模方面的工作。他们感兴趣的疾病是家族性植物神经功能障碍症(familial dysautonomia, FD)——一种罕见的主要影响末梢神经系统的遗传性疾病。家族性植物神经功能障碍症的预后很差,只有40%的患者能够活过20岁。大多数患者都只是因为IKBKAP基因(又名ELP1基因,该基因编码产物能参与形成转录延伸复合体)发生了一个点突变导致基因发生部分错误剪接而致病。他们从3名年龄分别为10岁、12岁和16岁的FD患儿体内获得了iPS细胞,即FD-iPSC,然后将这些细胞诱导分化,构建了体外FD模型。与患者体内的情况一样,由这些FD-iPSC分化而来的神经管嵴前体细胞(neural crest precursor cell)内正常IKBKAP基因转录体的丰度要比其它组织细胞中的低得多。而且他们还在多个FD-iPSC克隆中发现了其它两个与FD疾病相关的表型,即神经发生缺陷(neurogenesis defect)表型和细胞运动性缺陷(defect in cell motility)表型。此外,他们还发现植物激素kinetin能够明显改善IKBKAP基因的剪接过程,部分改善神经发生缺陷的情况。

上述SMA和FD疾病的相关研究都表明,利用iPS细胞分化得来的细胞在体外构建病理模型是完全可行的(图2)。不过非常有意思的是,这些研究都不约而同地具有一些共性,比如研究的疾病都是发病时间很早的疾病,都是很容易检测到遗传缺陷的疾病,被研究的细胞都很容易利用hESC直接分化获得等等。文章后面也会提到,这种发病时间较早,同时遗传背景清楚的疾病尤其适合利用iPS细胞技术进行研究。同时,在造血系统紊乱疾病的建模方面也取得了一些初步进展。值得一提的是,从骨髓增生紊乱(myeloproliferative disorder)患者制得的iPS细胞直接分化而来的细胞会表现出红细胞增多的现象。

关键词:iPS细胞 疾病研究
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