ELISA檢測(cè)表明與正常人iPSCs相比,，馬凡綜合癥病人來(lái)源的iPSCs中TGF-β信號(hào)傳導(dǎo)活性增強(qiáng)
美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究人員證實(shí)被視為人胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells, ESCs)替代選擇的誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)能夠像ESCs一樣真實(shí)反映基因疾病---比如馬凡綜合癥(Marfan syndrome)---的確定缺陷,。2011年12月12日,，該研究在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜志上,。這項(xiàng)研究的立即影響就是人們將能夠從個(gè)人層面利用iPSCs在分子水平上研究馬凡綜合癥,。另一方面,，ESCs由于它們的遺傳物質(zhì)來(lái)自捐獻(xiàn)者的胚胎不是來(lái)自病人自己的胚胎,，所以不能做同樣事情,。
利用iPSCs為很多種人類疾病構(gòu)建模型的前景是激動(dòng)人心的,，贏得一些人的廣泛贊揚(yáng)，但同時(shí)又遭遇其他人投射來(lái)的敏銳眼光,。因此關(guān)于iPSCs應(yīng)用的原理證明也是更加有普遍意義的,，因這樣能提高iPSCs的可信性。不同于ESCs,，iPSCs幾乎能夠從任何人身上輕松獲得,，而且擁有與它們來(lái)源的病人相同的遺傳背景。再者,，它們因?yàn)椴恍杵茐呐咛ザ粫?huì)產(chǎn)生倫理爭(zhēng)議,。
這篇研究的通訊作者M(jìn)ichael Longaker教授說(shuō),，“我們的體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)的內(nèi)在機(jī)制可能能夠用來(lái)解釋馬凡綜合癥的臨床表征。”
馬凡綜合癥是一種遺傳性結(jié)締組織疾病,，發(fā)病幾率為一萬(wàn)分之一到兩萬(wàn)分之一,。它是由于一個(gè)基因存在的大量缺陷之中任何一個(gè)缺陷導(dǎo)致的?；加羞@種疾病的人們往往非常高大和消瘦,，而且往往遭受骨質(zhì)疏松癥的折磨。醫(yī)學(xué)專家們推測(cè)美國(guó)第16任總統(tǒng)亞伯拉罕-林肯(Abraham Lincoln)也患有這種疾病,。馬凡綜合癥也能夠深深地影響眼睛和心血管系統(tǒng),。
在這項(xiàng)研究中，iPSCs和ESCs都攜帶一種導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變,，兩者都表現(xiàn)出受損的骨組織形成能力,，而且都很容易形成軟骨。這些異常都反映出該疾病最為顯著的臨床表征,。
誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞,，或者說(shuō)iPSCs，是2006年發(fā)現(xiàn)的,，是從完全分化的諸如皮膚之類組織獲得的,。然而，在器皿中,，它們具有ESCs同樣的分化為身體所有組織和無(wú)限繁殖的能力,。因?yàn)閕PSCs提供一種沒有倫理上擔(dān)憂的胚胎干細(xì)胞替代選擇，它們點(diǎn)燃了人們的希望：基于科學(xué)家們一直努力在器皿上分析根本上造成從糖尿病到帕金森疾病等各種疾病甚至非常復(fù)雜的諸如心血管病和自閉癥之類疾病的細(xì)胞缺陷,，它們能夠在這方面替代ESCs,。
對(duì)iPSCs而言，一種希望就是能夠在器皿上將它們分化為感興趣的組織---比如說(shuō),，帕金森疾病或自閉癥病人的神經(jīng)細(xì)胞---然后去觀察和研究這些細(xì)胞的特征從而能夠以一種病人特異性的方式理解這種疾病,。這對(duì)于ESCs而言幾乎是不可能的，除非來(lái)自捐獻(xiàn)的人卵來(lái)源的ESCs能夠被修飾,，即將病人自己的遺傳物質(zhì)替換性置入這些卵中從而反映病人自己的遺傳背景,，但是迄今為止這種方法是難以實(shí)現(xiàn)的。
盡管科學(xué)家們?yōu)槔眠@些細(xì)胞設(shè)置的目標(biāo)遠(yuǎn)不只是用于研究目的---開發(fā)再生醫(yī)學(xué)方面的治療應(yīng)用---,，但是前景是極其暗淡的,。科學(xué)家們將首先不得不開發(fā)出方法以便能夠在這些細(xì)胞(不論是iPSCs還是ESCs)內(nèi)部修復(fù)造成病人疾病的基因缺陷,，然后將這些細(xì)胞大量分化以便替換受影響的組織,，從而可能在再生醫(yī)學(xué)上進(jìn)行應(yīng)用。再者，從理論上講,，iPSCs更加值得試一下,，因?yàn)樗鼈冏畛跏菑奶囟ú∪松砩汐@得的，它們能夠分化產(chǎn)生的組織更加不可能產(chǎn)生宿主移植排斥,，而利用宿主胚胎ESCs產(chǎn)生的類似組織則很可能激起宿主移植排斥,。
然而，大量研究報(bào)道iPSCs和ESCs之間存在微妙的差別,，意味著這兩者可能不是等價(jià)的,。 Longaker說(shuō)，專家們一直想知道這些差別是否可能使得iPSCs在構(gòu)建疾病狀態(tài)模型上是不能足夠替換ESCs的,。
當(dāng)斯坦福大學(xué)生育和生殖醫(yī)學(xué)中心主任Barry Behr,，一名產(chǎn)科與婦科教授，開展胚胎植入前基因診斷以便鑒定出適合體外受精的胚胎時(shí),，一種能夠直接比較ESCs和iPSCs的機(jī)會(huì)在機(jī)緣巧合中產(chǎn)生了。Behr和斯坦福大學(xué)生殖和干細(xì)胞生物學(xué)中心主任Renee Reijo Pera (一名婦科教授)都是該研究論文的共同作者,，他們發(fā)現(xiàn)一種候選胚胎攜帶一種導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變,。這種胚胎因而被視為不適合進(jìn)行植入。但是它是攜帶導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變的胚胎干細(xì)胞的一個(gè)潛在來(lái)源,。因此,，研究人員不是丟棄或儲(chǔ)存它，而是在得到許可后獲得Longaker研究小組用于研究的胚胎干細(xì)胞,。
隨后就是就是全明星級(jí)研究人員合作開展研究,，他們包括斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院幾個(gè)部門的高級(jí)職員和意大利那不勒斯費(fèi)德瑞科二世大學(xué)(University of Naples Federico II)研究人員。這些研究人員從這種攜帶導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變的胚胎中獲得ESCs,。他們也從另一名來(lái)自斯坦福大學(xué)的論文共同作者Uta Francke博士(一名遺傳學(xué)和兒科教授)那兒獲得馬凡綜合癥病人皮膚活組織樣品,，通過(guò)現(xiàn)在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)方法將這些樣品中的成纖維細(xì)胞重編程為iPSCs。
Longaker說(shuō),，“我們將iPSCs和ESCs一起放在培養(yǎng)器皿上,，兩者都含有導(dǎo)致馬凡綜合癥的缺陷基因。這是一個(gè)直接比較它們的絕佳機(jī)會(huì),。”
當(dāng)他們這樣做時(shí),，Longake、論文第一作者Natalina Quarto博士和他們的助理發(fā)現(xiàn)從馬凡綜合癥綜合癥病人皮膚獲得的iPSCs和從攜帶導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變的胚胎中獲得的ESCs都表現(xiàn)出與觀察到的該疾病骨骼癥狀異常特征一樣的特點(diǎn)---骨組織形成能力下降,，相反更加容易形成軟骨,。
這些科學(xué)家們開始研究時(shí)就知道導(dǎo)致馬凡綜合癥的基因突變位于編碼蛋白FIBRILLIN-1的基因中。重要的是,，已知FIBRILLIN-1反過(guò)來(lái)會(huì)抑制細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)分子TGF-β的活性,。小鼠研究已表明FIBRILLIN-1缺失或者發(fā)生突變導(dǎo)致它不能產(chǎn)生這種抑制作用。這篇研究第一次在人身上證實(shí)干細(xì)胞不能形成骨組織而是大量產(chǎn)生軟骨直接原因是它們要比正常的人細(xì)胞接觸到更多和活性更強(qiáng)的TGF-β。
iPSCs能夠完全忠實(shí)地重復(fù)ESCs開展實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的馬凡綜合癥細(xì)胞和分子缺陷,，確實(shí)可能允許iPSCs用于研究,，而且長(zhǎng)期而言，甚至可以逐個(gè)病例的方式治療疾病,。盡管馬凡綜合癥是一種單基因疾病,，但是它能夠和確實(shí)由一個(gè)基因的大量突變---迄今為止已鑒定出600多種突變---中任何一個(gè)突變導(dǎo)致，這就表明不同病人在癥狀上存在著一些微妙差異,。(生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1073/pnas.1113442109
PMC:
PMID:
Skeletogenic phenotype of human Marfan embryonic stem cells faithfully phenocopied by patient-specific induced-pluripotent stem cells
Natalina Quarto, Brian Leonard, Shuli Li, Melanie Marchand, Erica Anderson, Barry Behr, Uta Francke, Renee Reijo-Pera, Eric Chiao, and Michael T. Longaker
Marfan syndrome (MFS) is a heritable connective tissue disorder caused by mutations in the gene coding for FIBRILLIN-1 (FBN1), an extracellular matrix protein. MFS is inherited as an autosomal dominant trait and displays major manifestations in the ocular, skeletal, and cardiovascular systems. Here we report molecular and phenotypic profiles of skeletogenesis in tissues differentiated from human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells that carry a heritable mutation in FBN1. We demonstrate that, as a biological consequence of the activation of TGF-β signaling, osteogenic differentiation of embryonic stem cells with a FBN1 mutation is inhibited; osteogenesis is rescued by inhibition of TGF-β signaling. In contrast, chondrogenesis is not perturbated and occurs in a TGF-β cell-autonomous fashion. Importantly, skeletal phenotypes observed in human embryonic stem cells carrying the monogenic FBN1 mutation (MFS cells) are faithfully phenocopied by cells differentiated from induced pluripotent-stem cells derived independently from MFS patient fibroblasts. Results indicate a unique phenotype uncovered by examination of mutant pluripotent stem cells and further demonstrate the faithful alignment of phenotypes in differentiated cells obtained from both human embryonic stem cells and induced pluripotent-stem cells, providing complementary and powerful tools to gain further insights into human molecular pathogenesis, especially of MFS.
