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應(yīng)用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞構(gòu)建體外神經(jīng)退行性疾病模型的研究進(jìn)展

2014-01-27 12:17馬寅仲杜冠華
中國藥理學(xué)通報(bào) 2014年9期
關(guān)鍵詞:體細(xì)胞編程分化

馬寅仲,杜冠華

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院·北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥物研究所,藥物靶點(diǎn)研究和新藥篩選北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100050)

細(xì)胞分化伴隨著不可逆的譜系定型(lineage commitment),這一現(xiàn)象主要受表觀遺傳機(jī)制的調(diào)節(jié)。Davis等[1]通過對(duì)轉(zhuǎn)錄因子MyoD的調(diào)控突破了表觀遺傳的控制,從而將成纖維細(xì)胞重編程并分化為肌細(xì)胞。隨后Takahashi等[2]發(fā)現(xiàn)了只通過重編程4個(gè)轉(zhuǎn)錄因子(c-Myc、Oct3/4、Sox2、Klf4)便可以將人成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)。此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明為體外建立人類疾病細(xì)胞模型的研究開啟了一扇新的大門。

最初的體細(xì)胞重編程技術(shù)使用逆轉(zhuǎn)錄病毒或慢病毒對(duì)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)[3],但是由于c-Myc具有致癌性,且使用逆轉(zhuǎn)錄病毒本身也容易導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生,這使得體細(xì)胞到iPSCs的重編程效率低下[4]。為了避免重編程過程中的基因修飾并提升獲取細(xì)胞的效率,人們采用避免整合外源基因到宿主基因的策略來優(yōu)化重編程技術(shù)。Stadtfeld等[5]在2008年首次使用腺病毒對(duì)大鼠肝細(xì)胞的Oct4、Sox2、c-Myc、Klf4四個(gè)轉(zhuǎn)錄因子重編程得到iPSCs,因?yàn)橄鄬?duì)效率依舊不高,該方法并未得到廣泛的應(yīng)用。首個(gè)使用非整合型載體獲得iPSCs的方法是通過對(duì)大鼠成纖維細(xì)胞進(jìn)行反復(fù)的質(zhì)粒轉(zhuǎn)染實(shí)現(xiàn)的[6],然而此方法操作繁瑣,且效率仍舊較低,因此仍未獲得廣泛使用。Yu等[7]在2009年報(bào)道了使用非整合游離型載體-仙臺(tái)病毒的重編程方法同樣得到了iPSCs,該方法所得iPSCs的核型與原體細(xì)胞的核型一致,且同樣具有分化為多種體細(xì)胞系的潛能。目前已有使用該種方法成功將人腎小管上皮細(xì)胞重編程并分化為βⅢtubulin(TUJ-1)陽性神經(jīng)元或GFAP陽性星形膠質(zhì)細(xì)胞的報(bào)道[8]。同樣類似的方法還有使用PiggyBac轉(zhuǎn)座子,在大鼠與人的成纖維細(xì)胞上均可以在不使用載體整合的情況下得到iPSCs[9]。隨后人們?cè)诜钦匣虻那疤嵯?,發(fā)現(xiàn)了一系列提高重編程效率的方法以進(jìn)一步提升細(xì)胞獲得效率,包括在重編程過程中加入小分子化合物以及與轉(zhuǎn)錄因子一并轉(zhuǎn)入miRNA簇等方法[10-11]。

使用具有基因缺陷類疾病的患者體細(xì)胞重編程得到iPSCs后,再通過誘導(dǎo)分化成為具有一定病理表型的特定細(xì)胞譜系,這種構(gòu)建體外疾病模型的方法被形容為“培養(yǎng)皿中的疾病”[12]。目前已有一系列應(yīng)用帕金森?。≒arkinson’s disease,PD)、阿爾采末?。ˋlzheimer’s disease,AD)以及亨廷頓病(Huntington’s disease,HD)的患者體細(xì)胞在體外構(gòu)建具有病理特征神經(jīng)元的報(bào)道。本文分別從家族型與散發(fā)型兩個(gè)方面概括目前具有代表性的神經(jīng)退行性疾病的體外疾病模型的建立,并分析了其在新藥篩選中的應(yīng)用潛力。

1 以iPSCs構(gòu)建神經(jīng)退行性疾病細(xì)胞模型

神經(jīng)退行性疾病在病理上普遍以慢性進(jìn)行性神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與功能缺失為主要特征。至今人們已經(jīng)從多種神經(jīng)退行性疾病患者體細(xì)胞通過重編程得到iPSCs,主要包括PD、AD、HD以及肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateralsclerosis,ALS)等。

1.1 基于iPSCs的PD細(xì)胞病理模型構(gòu)建 PD是一種常見的神經(jīng)退行性疾病之一。其主要病理特征為腦內(nèi)黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元的進(jìn)行性退化與神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)富含α-synuclein的包涵體(Lewy bodies)[13]。近年來對(duì)這些復(fù)雜病理表征從基因?qū)用孢M(jìn)行的解釋逐漸深入,目前已知的與PD發(fā)病直接相關(guān)的基因主要有 PARK2、SNCA、PARKIN、PINK1、DJ-1、UCHL1、LRRK2、PARK7、GBA、SNCAIP以及 ATP13A2[14-15]。在一項(xiàng)研究中,從具有3次 α-synuclein基因重復(fù)拷貝(SNCA)的PD患者體表獲取成纖維細(xì)胞,對(duì)其中部分細(xì)胞重編程為iPSCs,并誘導(dǎo)分化為中腦多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行體外培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者的成纖維細(xì)胞并未表達(dá)α-synuclein蛋白,而來自iPSCs誘導(dǎo)產(chǎn)生的多巴胺能神經(jīng)元表達(dá)的α-synuclein蛋白量比該患者健康直系親屬iPSCs衍生出的多巴胺能神經(jīng)元所產(chǎn)生的蛋白量多出1倍以上[16]。其他一些研究也得出類似的結(jié)果,如取自PARKIN基因突變的PD患者體細(xì)胞重編程得到iPSCs后,誘導(dǎo)產(chǎn)生的中腦多巴胺能神經(jīng)元由于單胺氧化酶A和B的表達(dá)高于正常細(xì)胞而使其對(duì)多巴胺的再攝取增加,進(jìn)而表現(xiàn)為明顯的氧化應(yīng)激狀態(tài)[17]。有趣的是,這種作用可以被腺病毒所轉(zhuǎn)入的PARKIN基因反轉(zhuǎn)。在另一項(xiàng)研究中,人們發(fā)現(xiàn)不論是家族型還是散發(fā)型PD,來源于二者的iPSCs分化所得多巴胺能神經(jīng)元均表現(xiàn)出了LRRK2轉(zhuǎn)錄活性的低下。從形態(tài)學(xué)角度觀察,與正常神經(jīng)元相比,所得神經(jīng)元的突起斷裂現(xiàn)象更多,突起分支減少,自噬現(xiàn)象也更為明顯[18]。

處于疾病晚期的神經(jīng)元亞型通常對(duì)基因背景十分敏感,因此應(yīng)用iPSCs在對(duì)此類模型的建立中存在一個(gè)明顯的限制因素,即該技術(shù)無法在確定的基因背景條件下開展實(shí)驗(yàn),從而無法通過基因修復(fù)驗(yàn)證病理表型的變化。為了解決這個(gè)問題,Soldner等[19]通過將鋅指核酶(zinc finger nuclease,ZFN)介導(dǎo)的基因編輯技術(shù)與iPSCs技術(shù)相結(jié)合,得到與疾病同源的基因組,并控制修正所得iPSCs系的兩個(gè)α-synuclein點(diǎn)突變易感基因,結(jié)果顯示,分化所得多巴胺能神經(jīng)元樣細(xì)胞的病理特征與未經(jīng)修正的細(xì)胞相比,其病理表征明顯的減輕。這種基因修復(fù)的方法也標(biāo)志著基因治療研究的重大進(jìn)展。

1.2 運(yùn)用iPSCs構(gòu)建AD體外細(xì)胞病理模型 AD是與年齡相關(guān)的最為常見的一種癡呆類型。由于人們對(duì)AD本身的發(fā)病機(jī)制缺乏了解,使得利用iPSCs建立AD模型與其他常見疾病相比更為復(fù)雜。AD以進(jìn)行性神經(jīng)元缺失結(jié)合Aβ淀粉樣蛋白,神經(jīng)纖維纏結(jié)(tau蛋白過度磷酸化)為主要的病理表征。盡管β淀粉樣蛋白前體蛋白(amyloidβprecursor protein,APP)由β分泌酶與γ分泌酶的酶解異常被認(rèn)為在AD發(fā)病中扮演一定角色,但AD的認(rèn)知功能障礙與蛋白沉積、多種異常折疊Aβ、tau蛋白過度磷酸化之間的關(guān)系仍不甚明了。

早老素(presenilin,PS)基因?yàn)槌H旧w顯性遺傳,其被認(rèn)為是早發(fā)型AD的誘因之一。在一項(xiàng)研究中,Israel等[20]選擇PS1與重復(fù)APP基因突變的家族型AD患者,以及兩種不同的散發(fā)型患者體細(xì)胞進(jìn)行重編程,得到相應(yīng)的iPSCs后誘導(dǎo)分化為皮層膽堿能神經(jīng)元。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種來自家族型及一種散發(fā)型患者的細(xì)胞均表現(xiàn)出Aβ1-40與Aβ1-42的明顯升高,且這種現(xiàn)象可被β分泌酶抑制劑,而不是γ分泌酶抑制劑特異性的阻斷。值得一提的是,所有的細(xì)胞均表現(xiàn)出正常膽堿能神經(jīng)元的電生理特性。Shi等[21]從唐氏綜合癥(down syndrome)患者體細(xì)胞重編程產(chǎn)生iPSCs,其3倍復(fù)制的21染色體中含有一段額外的APP基因拷貝。而且該iPSCs分化所得神經(jīng)元也表征出了Aβ以及tau蛋白過度磷酸化等AD早期病理特征。綜合分析,這些結(jié)果提示內(nèi)源性APP蛋白水解通路以及與其有關(guān)基因突變對(duì)tau蛋白過度磷酸化與aGSK3β水平升高具有直接的作用,從而成為AD發(fā)病的病理機(jī)制之一。最近一項(xiàng)研究中,Koch等[22]展示了來自PS1(L166P)突變的AD患者的iPSCs誘導(dǎo)產(chǎn)生的膽堿能神經(jīng)元中γ分泌酶功能的部分缺失,這種現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致了Aβ40產(chǎn)量的降低,以及Aβ42/40比例的升高。非類固醇類抗炎藥物(nonsteroidalanti-inflammatorydrugs,NSAIDs)對(duì)這些神經(jīng)元樣細(xì)胞的γ分泌酶的調(diào)節(jié)作用也十分微弱。該患者iPSCs的研究提示針對(duì)AD藥物篩選的一個(gè)新靶點(diǎn),以及在體外研究AD病理與人腦膽堿能系統(tǒng)的一個(gè)新的思路。

1.3 運(yùn)用iPSCs構(gòu)建HD細(xì)胞病理模型 HD是一種常染色體顯性神經(jīng)退行性疾病。它是由一個(gè)變異型亨廷頓基因(huntington gene),即一段過度擴(kuò)張的CAG三核苷酸串聯(lián)重復(fù)序列所編碼的亨廷丁蛋白(huntingtin,htt)而引發(fā)的疾病[23]。該蛋白N端有1個(gè)拉長(zhǎng)伸展的谷氨酰胺序列,該序列使htt蛋白的構(gòu)象發(fā)生改變從而在特定神經(jīng)元胞核附近聚集而產(chǎn)生毒性。

在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),人們采用了多種不同的技術(shù)建立HD疾病模型,如采用人源的非神經(jīng)細(xì)胞(成纖維細(xì)胞或淋巴母細(xì)胞),來自大鼠、小鼠或永生化的人源胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cell,ESCs))以及原代神經(jīng)元,這些模型可以再現(xiàn)HD的部分病理表征[24]。近年,來自轉(zhuǎn)基因HD猴子、大鼠和人類HD患者的iPSCs開始出現(xiàn),使用該細(xì)胞系衍生的紋狀體神經(jīng)元與神經(jīng)前體細(xì)胞,具有與HD患者相同的CAG擴(kuò)張序列,并且對(duì)生長(zhǎng)因子缺乏表現(xiàn)出更強(qiáng)的凋亡活性[25]。來自HD猴子的iPSCs衍生的紋狀體神經(jīng)元可以在體外培養(yǎng)中觀察到其胞內(nèi)聚集的htt蛋白,隨著細(xì)胞的分化,還可見核包涵體的形成[26]。而使用R6/2轉(zhuǎn)基因HD大鼠成纖維細(xì)胞重編程得到的iPSCs中,CAG重復(fù)序列對(duì)細(xì)胞增殖活力,腦源神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophi factor levels,BDNF)水平或神經(jīng)發(fā)生潛能均沒有明顯影響。除此之外,這些iPSCs在增殖與分化過程中也并未表現(xiàn)出凋亡活性的增加。另外,由于觀察到該HD大鼠體細(xì)胞中的一個(gè)溶酶體基因的轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)上調(diào),學(xué)者們發(fā)現(xiàn)該iPSCs的溶酶體數(shù)量也出現(xiàn)了明顯的升高[27]。一項(xiàng)最近的研究進(jìn)一步證實(shí)了來自HD患者的iPSCs能夠在體外產(chǎn)生正常功能與亞型的神經(jīng)元,且在移植入成年大鼠腦內(nèi)之后仍具有分化神經(jīng)元的能力。但是,在該iPSCs所分化得到的星形膠質(zhì)細(xì)胞中觀察到胞內(nèi)大量空泡的產(chǎn)生,該現(xiàn)象也在患者體內(nèi)的淋巴母細(xì)胞中被觀察到[28]。以上結(jié)果提示,來自HD動(dòng)物與患者的iPSCs能夠在體外重現(xiàn)至少部分HD疾病的病理特征。對(duì)于該疾病的新靶點(diǎn),可能存在于膽固醇代謝和星形膠質(zhì)細(xì)胞分化有關(guān)通路之中,這對(duì)現(xiàn)有藥物的篩選具有新的指導(dǎo)意義。

1.4 構(gòu)建ALS細(xì)胞病理模型 ALS以肌萎縮和無力,伴隨快速進(jìn)行性的大腦與脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元退行性病變?yōu)橹饕±硖卣鳎?9]。絕大多數(shù)病例為散發(fā)型(sALS),大約10%為遺傳型(fALS)。目前發(fā)現(xiàn)的有超過10個(gè)基因被認(rèn)為與ALS發(fā)病有關(guān),包括超氧化物歧化酶1(SOD1、ALS1)、交換應(yīng)答DNA結(jié)合蛋白-43(TDP-43、ALS10)、融合肉瘤(FUS、ALS6)、靶面結(jié)合蛋白 B/C(VAPB、ALS8)、EPHA4受體等[30]?;贏LS動(dòng)物模型在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)令人失望,建立新型ALS模型具有重要意義。

目前,已有4個(gè)研究小組成功的從3種不同家族型及1例散發(fā)型ALS患者體細(xì)胞獲取iPSCs。Dimos等[31]從SOD1突變的患者體細(xì)胞得到iPSCs,并確認(rèn)該細(xì)胞系具有ESCs的一些特性,并能夠分化為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。但是,與ALS相關(guān)的病理表現(xiàn)卻并未出現(xiàn)。Mitne-Neto等[32]通過與未患病直系親屬(空白對(duì)照組)相比,VAPB突變患者的iPSCs分化得到的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中VAPB蛋白水平明顯減少,提示VAPB可能與ALS8的發(fā)病機(jī)制相關(guān)。該研究組進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)伴隨向神經(jīng)元的分化過程,空白對(duì)照組的VAPB呈逐漸增加,而ALS8突變組則未觀察到此現(xiàn)象,提示ALS8的突變可能是造成VAPB蛋白水平無法升高的原因之一。而空白對(duì)照與ALS8突變組的VAPBmRNA水平并未觀察到明顯差異,說明這種細(xì)胞對(duì)VAPB的調(diào)節(jié)作用似乎發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后階段。

帶有TDP-43突變的iPSCs能夠分化為運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元,且所得的突變神經(jīng)元表現(xiàn)出ALS的病理特征,如TDP-43蛋白的可溶性增加、細(xì)胞存活能力降低、對(duì)磷酸肌醇-3激酶(phosphoinositide-3-kinase,PI3K)通路抑制劑的敏感性明顯提升等等。Kassa等[33]使用散發(fā)型ALS患者獲得的 iPSCs分別誘導(dǎo)為上位與下位運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元,也同樣觀察到了類似的病理特征。他們選擇TDP-43作為靶點(diǎn),使用該ALS模型進(jìn)行高內(nèi)涵篩選,發(fā)現(xiàn)了包括地高辛在內(nèi)的一系列FDA批準(zhǔn)上市的小分子調(diào)節(jié)劑,具有降低該蛋白水平的作用。因此,研究患者iPSCs分化所得此類細(xì)胞的表型有助于發(fā)現(xiàn)ALS發(fā)病的新機(jī)制及新的藥物作用靶點(diǎn)。

2 iPSCs與HCS

HTS是一種廣泛用于早期藥物發(fā)現(xiàn)的篩選技術(shù)。目前隨著硬件與軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步,HTS已經(jīng)可以結(jié)合具有亞細(xì)胞水平分辨率的顯微鏡,進(jìn)行細(xì)胞圖片分析與篩選技術(shù),即HCS。與傳統(tǒng)的HTS技術(shù)相比,同樣的篩選速度,HCS能夠得到更多數(shù)據(jù),如細(xì)胞形態(tài)學(xué)變化、膜完整性、靶點(diǎn)外效應(yīng)、細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)等等。

使用iPSCs進(jìn)行藥物篩選的成功案例是振奮人心的,其對(duì)于特定類型患者進(jìn)行小至中等數(shù)量的化合物藥效與毒性的評(píng)估是十分寶貴的。如何使iPSC技術(shù)在藥物研發(fā)與新藥發(fā)現(xiàn)的過程中發(fā)揮更重要的作用,關(guān)鍵在于能否更為系統(tǒng)全面地評(píng)價(jià)在化合物刺激后的分化細(xì)胞的病理表型變化。iPSCs不僅能夠攜帶特定突變,并具有確定的基因背景,與腫瘤細(xì)胞系相比其更能夠保留體細(xì)胞的關(guān)鍵特性與相對(duì)正常的胞內(nèi)信號(hào)網(wǎng)絡(luò),且保持低分化狀態(tài)的iPSCs還具備良好增殖活力,從而能夠不斷地提供篩選用細(xì)胞。

傳統(tǒng)HTS一次檢測(cè)僅能得到培養(yǎng)皿內(nèi)所有細(xì)胞某一靶點(diǎn)的信號(hào)之和,也就忽略了個(gè)體細(xì)胞反映的異質(zhì)性與靶點(diǎn)外的信息。這種方法雖然具有針對(duì)性,但卻因缺少形態(tài)學(xué)與靶點(diǎn)外的效應(yīng)而造成假陰性結(jié)果的激增。HCS能夠提供被觀察目標(biāo)在時(shí)間、空間與光譜范圍內(nèi)的變化。HCS是將HTS的多種測(cè)量指標(biāo)匯總輸出,得到化合物對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生的較全面生物學(xué)效應(yīng)的觀察[34]。從以上特點(diǎn)綜合分析,iPSCs更適合與HCS技術(shù)相結(jié)合,為每次篩選提供更多的化合物活性信息,大大減少了假陽性與假陰性的情況發(fā)生[35]。

3 使用iPSCs建立神經(jīng)退行性疾病模型中亟待解決的問題

盡管使用iPSCs建立神經(jīng)退行性疾病模型具有很好的發(fā)展前景,但在其應(yīng)用過程中仍有一些亟待解決的問題。在對(duì)許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病使用iPSCs進(jìn)行體外模擬時(shí),我們?nèi)耘f無法觀察到典型的病理表型。從分子層面分析,與疾病相關(guān)蛋白與全基因的表達(dá)可以通過iPSCs在體外反映出來,但對(duì)于神經(jīng)退行性疾病晚期的病理表征,如PD患者多巴胺能神經(jīng)元胞內(nèi)的包涵體,使用患者體細(xì)胞所衍生出來的神經(jīng)元就無法表現(xiàn)。

另一個(gè)方面,鑒于這些細(xì)胞系的表型多樣性與患者的基因異質(zhì)性,對(duì)于來自單一患者衍生的iPSCs而言,實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性與數(shù)據(jù)的驗(yàn)證顯得尤為重要。因此可通過嘗試對(duì)所得iPSCs的基因缺陷進(jìn)行修復(fù)的方法,作為驗(yàn)證這些疾病模型可靠性的手段。

4 前景與展望

人源iPSCs技術(shù)用于疾病模型的建立發(fā)展迅速。最近的研究成果允許科學(xué)家們?cè)隗w外研究疾病病理表型,了解疾病狀態(tài)下細(xì)胞的微環(huán)境以及進(jìn)行新藥發(fā)現(xiàn)與藥物功能的測(cè)試。盡管重編程技術(shù)仍不夠成熟,但目前不斷破冰式的發(fā)展,已經(jīng)幫助學(xué)者們克服了許多曾經(jīng)無法解決的難題。iPSC技術(shù)為當(dāng)前的藥物發(fā)現(xiàn)提供了革命性的方法,它橋接了基因生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)與生理學(xué)[36]。

首例人源iPSCs細(xì)胞系的建立至今不過5年時(shí)間,因此更多的研究成果是十分值得我們期待的。iPSCs在發(fā)現(xiàn)新活性化合物與探索發(fā)病機(jī)制方面的優(yōu)勢(shì)仍需大量的工作來驗(yàn)證。目前人們對(duì)使用人源iPSCs在體外建立慢性與感染性疾病的熱情不斷升溫,相信在不久的將來,此項(xiàng)技術(shù)能為新藥篩選與疾病機(jī)制探索提供實(shí)質(zhì)性的幫助。

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