研究对寻找特定的靶向药物以及个体化治疗方案的选择至关重要

1. 血液系统疾病来源细胞为供体细胞诱导iPSCs技术进展

血液系统疾病发病机制的研究对寻找特定的靶向药物以及个体化治疗方案的选择至关重要。然而存在原发疾病的标本来源少、细胞数量和质量不符合要求、体外直接培养效果差以及很多疾病PDX(patient-derived xenograft)模型造模不成功或者造模成功的成本太高等缺陷, 为体外研究疾病的发病机制增添了很多困难。iPSCs不仅可以来源于正常组织细胞, 也可以来源于疾病细胞。利用iPSCs技术获得疾病特异性的诱导多能干细胞, 可研究特定的基因突变在血液系统疾病发生、发展中所起的作用, 能够解决稀有疾病样本细胞来源问题。iPSCs可以体外分化为成熟血液细胞, 为研究疾病的致病机制、药物筛选提供了平台, 并为白血病和再生障碍性贫血的治疗提供干细胞来源。目前, 研究阐明的疾病来源iPSCs特点叙述如下。

2. iPSCs携带特定突变基因

2010 年 , Carette等首次尝试将人恶性细胞—慢性粒细胞白血病细胞株诱导为iPSCs, 这些重编程细胞携带BCR-ABL融合基因(philadelphiatranslocation gene), 且持续表达BCR-ABL蛋白质。

但是在iPSCs水平, 重编程细胞失去了对BCR-ABL癌基因信号的依赖性。因此, 对BCR-ABL的抑制剂伊马替尼产生了耐药作用, 提示伊马替尼作用的靶细胞是处于特定表观遗传学分化状态的一群细胞。在此基础上, Kumano实验室成功构建了慢性髓细胞白血病(chronic myelocytic leukemia, CML)患者样本来源的iPSCs, 同样持续表达BCR-ABL。通过对CML-iPSCs的研究发现, 其对伊马替尼产生耐药作用可能是保持iPSCs细胞状态的信号将伊马替尼抑制BCR-ABL的信号抵消。CML重编程为iPSCs会逆转白血病特异性的甲基化标记, 尽管存在BCR-ABL癌基因, 但是这些iPSCs在体外能诱导分化为正常血液细胞。与此相反, Chao等发现,急性
髓细胞白血病(acute myelocytic leukemia, AML)重编程的iPSCs保留了谱系白血病基因(mixed lineageleukemia gene,MLL)重排, 但是会导致癌症特异性甲基化标记(基因表达模式)发生改变。当这些iPSCs诱导分化为血液细胞时, 它们能在体内重新建立白血病DNA甲基化/基因表达模式, 从而获得了白血病特性, 具有生成白血病的能力。这意味着表观遗传重编程不足以消除白血病行为, 不能够超越这种肿瘤类型的遗传突变。

大量研究认为, 有特定基因突变的血液系统肿瘤细胞诱导生成的iPSCs也携带同样的突变基因。

例如, 骨髓增值性肿瘤(myeloproliferative neoplasms,MPNs)主要的基因突变是JAK2 V617F , MPNs患者血液中CD34 + 细胞在体外可诱导产生含有JAK2 V617F 突变的iPSCs。7q染色体缺失的骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes,MDS)患者造血细胞可重编程为del(7q)iPSCs, 这些诱导多能干细胞能够重现MDS疾病的相关表型。人AML疾病细胞能够重编程为iPSCs, 重编程重置了表观遗传状态, 但保留了异常的细胞遗传和突变。携带特定突变基因的疾病来源的iPSCs用于研究血液疾病的发生机制和筛选血液系统疾病细胞亚克隆具有巨大的价值。

3. 突变基因在iPSCs水平不表达而在分化后表达

在iPSCs小鼠(强力霉素控制“Yamanaka因子”的表达)造血细胞中过表达人MLL-AF9融合基因构建AML模型, Cheng等发现,白血病细胞重编程为iPSCs后形成的大部分嵌合体小鼠会自发产生同种类型的AML, 相同白血病起源细胞中的iPSCs重编程和白血病再起始通路下调。RNA-seq的结果显示, 这些白血病细胞与iPSCs的相互转化在于MLL-AF9的激活, 它们大部分基因的表达模式可逆, 提示存在一种充分的表观遗传学调控(致癌分子与重编程因子之间的相互作用)在促进白血病的发生。进一步的研究发现,iPSCs中MLL-AF9基因的沉默可能是因为KAP1和Dnmt3b基因导致MLL-AF9基因逆转录病毒甲基化的结果。因此, 并不是所有的突变基因在iPSCs水平都会表达。此外, 功能丧失性的基因突变在iPSCs水平也不表达。如RUNX1(Runt-relatedtranscription factor 1)基因突变是一种功能丧失性的体细胞突变, 与各种血液系统肿瘤有关。将携带有RUNX1突变的家族性血小板障碍(familial plateletdisorder, FDP)/AML患者外周血单核细胞重编程为iPSCs, 体外诱导分化出现造血前体细胞生成障碍和巨核细胞分化障碍, 而在iPSCs中过表达WT-RUNX1可回复这些表型。

有些突变基因只在特定的分化细胞类型表达并产生功能, 在血液系统疾病中可研究致病基因在特定的表观遗传学分化状态驱动疾病发生、发展的机制用于疾病建模, 并且可尝试在不同分化状态下进行敏感药物的筛选。