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高度同质iPS细胞

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得益于Broad研究所Tarjei Mikkelsen领导的一个科学家小组的辛苦工作,现在在人类细胞中研究重编程过程变得更加容易和可靠。该研究小组设计出了一种改良的方法使得在实验室中生成的人类诱导多能干(iPS)细胞变异性降低。
  

借助这一系统研究人员能够高分辨率地观测随着体细胞重编程变为iPS细胞发生的过渡细胞及分子改变——而在这一新模型建立之前想开展此类研究非常的困难。它还使得大规模地研究不同的药物或遗传修饰对重编程的影响变得更为容易。这项重要的研究发布在7月16日的《细胞》(Cell)杂志上。
  

自从大约十年前首次报道以来,iPS细胞被广泛用于开发药物、研究细胞发育以及建立疾病模型,将来还有可能帮助培育出可用于移植的新组织或器官。然而直到现在人们仍未完全认识构建iPS细胞的过程。
  

iPS细胞是通过取得诸如皮肤细胞或肌肉细胞等确定的“分化”细胞,在培养皿中诱导它们变得行为上较像胚胎干细胞而生成。这些所谓的“重编程”细胞具有“多能性”,这意味着可以诱导它们变为许多不同的成体细胞类型。由于仍不清楚重编程过程中细胞内到底发生了什么,科学家们想要这一过程。但当前构建人类iPS细胞的模型只能生成不一致的、异质性培养物,使得难以比较不同实验或实验室之间的数据集。

Mikkelsen说:“每个实验室看到的东西都略有不同。在如何处理细胞、如何培养它们,及细胞的来源等方面有很大的差异。对于哪些变量对生成高质量的iPS细胞或来自这些iPS细胞的组织至关重要,哪些则不然,我们仍不是很有把握。”

  

怀着改进重编程研究模型系统这一目的,Mikkelsen和同事们采用了一种一直以来用于延长其他细胞培养物生命的分子方法。通过过表达端粒酶编码基因,他们希望能够更好的分化细胞培养物,将它们可靠地转化为iPS细胞。
  

研究人员一开始通过让人类成纤维细胞表达4个“山中伸弥因子”编码基因,让它们变为了iPS细胞。随后他们将一部分极好编程的细胞挑选出了,诱导它们再次分化为成纤维细胞。这些细胞之后便可以较高的效率再次进行重编程。这一称作为“二次编程”的双重重编程程序,可被广泛利用来研究诱导多能性。通过挑选出第一阶段成功重编程的细胞,研究人员更加有信心在第二阶段时他们研究的是有能力重编程的细胞。在二次处理过程中,生成的培养物通常是克隆或遗传完全抑制,这也降低了细胞间的变异。
  

然而,二次重编程有一个问题就是,随着时间的推移在细胞老化过程中这些细胞会丧失它们的重编程能力。为了能够将第一阶段生成的体细胞用于大规模的重编程研究,Mikkelsen实验室博士后研究人员Davide Cacchiarelli诱导二次体细胞过表达了端粒酶,由此阻止了细胞老化。通过延长培养时间,使得这些细胞能够在发育上“赶上”彼此,生成更加同质、可靠的模型系统。
  

利用他们改进的模型系统,研究人员确定了重编程过程中发生的动态分子和表观遗传改变的特征。由于细胞间变异性减少,研究人员以前所未有的高分辨率观察了人类细胞中的重编程过程。在他们的数据中他们看到了一些证据表明,随着细胞重编程它们呈现出低发育细胞标志性的基因表达和表观遗传改变,甚至出现了一些植入前胚胎表达的标记物。


由此支持了这一假说:重编程是发育过程的逆转,细胞经过一个通常它们向前发育经历的细胞轨迹向后退。研究小组还通过在重编程早期诱导成纤维细胞发育为肌细胞,绕过首先变为iPS细胞的阶段缩短了这一过程——这被称作为“转分化”或“直接谱系转换”。
  

Mikkelsen说,现在这种新方法为我们提供了一个模型系统,使得在细胞中研究重编程变得更加容易和可行。

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