干細胞牛人Science：iPSC為疾病研究插上翅膀

　　誘導多能干細胞(iPSC)技術為我們提供了超乎預想的可能性在培養皿中模擬人類疾病。將來自患者的體細胞重編程至胚胎干細胞樣狀態，隨后再分化為疾病相關的細胞類型，生成的人類組織攜帶著可引起或促進疾病形成的遺傳變異，由此為我們提供了無限的人類疾病組織資源。然而，盡管這種“培養皿中的疾病”(disease-in-a-dish)方法讓人們感到非常的興奮，相比于遺傳明確的模型系統，在患者來源的細胞中研究遺傳疾病面臨著更多的挑戰。

　　Rudolf Jaenisch是干細胞研究領域的權威人物，他是懷特黑德研究所的創始人之一，曾經擔任過國際干細胞學會的主席。其在一系列的領域做出了有影響的工作，包括基因敲除小鼠、表觀遺傳學研究、核移植、iPSC等，解決了這些領域幾乎所有的重要問題。在最新一期(11月30日)的《科學》(Science)雜志上，Jaenisch發表了題為“iPSC Disease Modeling”的文章，探討了iPSC在疾病模型構建上的一些局限，并提出了一些相應的解決方法。

　　在文中，作者寫道且不論疾病狀態，單個iPSC細胞系便顯示出高度差異的生物學特性。這使得人們難以預測它們分化為特異功能性細胞類型的傾向，因此限制了研究疾病特異性表型的價值。導致這些細胞間差異的原因有很多，大致可以分為三類：重編程過程造成的細胞改變;由于缺乏完善的分化實驗方案導致的培養誘導差異;以及遺傳背景的差異。

　　如果將載體整合到宿主基因組中，由重編程引起的細胞改變問題會尤為嚴重。它可以導致附近的基因破壞或調控失常，常常引起重編程轉基因的殘余表達。一定程度上受到重編程因子化學計量和特殊培養條件影響導致的不完全表觀遺傳重編程，失活X染色體上基因的轉錄脫抑制，點突變及拷貝數變異(CNVs)等遺傳改變均可以引起其他的混亂。不過，作者認為采用更先進的非整合性重編程技術例如質粒或mRNA轉染及蛋白質轉導，改善培養條件，更嚴格的質量控制應該可以充分解決這些問題。

　　造成細胞間差異的一個重要原因就是缺乏完善的體外分化實驗方案。大部分的方案都是依賴在正常胚胎發育特殊階段發揮重要作用的生長因子信號和調控因子。盡管這些方案相當有效地生成了一些目的細胞，但它們通常生成的都是不同細胞類型的混合物，當研究目標是構建高度受控的疾病時這會是一個決定性的限制。經過廣泛討論，研究人員提出了一種改善方法：導入受到譜系或細胞類型特異性啟動子控制的報告子或選擇基因，從而使研究人員能夠鑒別、篩選、定量特異的細胞類型。

　　遺傳背景的差異是“培養皿中疾病”研究方法面對的一個特殊障礙，因為人們無法控制遺傳修飾位點的影響。在大多數單基因疾病(monogenetic disorder)中我們可以觀察到來自遺傳背景的上位效應(Epistatic effects)，導致了發病年齡和/或疾病進程的差異。與參考基因組相比，每個個體的蛋白質編碼基因通常有數千個位點的差異，其中數百的差異預計改變了蛋白質功能，與遺傳性疾病存在大量的關聯。同樣，遺傳變異對于基因表達的重要影響在個體間也存在差異。由于患者與健康供體之間不具有相同的遺傳背景，或是只享有部分的遺傳背景，因此將患者來源的iPSCs與來自健康供體的細胞系進行比較，在解析一種推測與疾病相關的表型時會造成相當大的風險。

　　作者指出近期基因編輯技術取得了一些重要的進展，使得研究人員能夠靶向修飾人類細胞，實現基因破壞、基因修復或插入報告基因。這種修飾單堿基對的能力可以在人類多能干細胞中無縫地糾正或導入致病突變，使得研究人員能夠構建出遺傳控制的實驗模型系統。在這一系統中唯一的實驗變量就是致病遺傳變異，從而可以大大地簡化對遺傳變異與疾病表型相互作用的分析，由此獲得關于單基因疾病與復雜疾病的新見解。

　　最后，作者提出將iPSC、基因編輯與全基因組技術相結合，可為我們提供一個在相關人類細胞類型中系統忠實地模擬人類疾病的機會。承認固有的局限性，并嚴格地建立模型系統標準，將使得iPSC成為生物醫學研究一個必不可少的工具。