生物工程师展示了为什么实验室制造的干细胞可能会失败

诱导多能干细胞有望用于再生医学，因为它们理论上可以变成任何类型的组织，并且因为它们是由患者自己的成体细胞制成的，因此保证了相容性。然而，将成体细胞转变为这些iPS细胞的技术并非万无一失; 在恢复到它们的多能状态后，这些细胞并不总是正确地分化回成体细胞。

宾夕法尼亚大学的研究人员现在发现了其中一个原因：逆转过程并不总能完全捕捉细胞基因组在细胞核内折叠的方式。这种折叠配置直接影响基因表达，从而影响细胞的功能。

新研究表明，目前的技术可能不会产生与胚胎中发现的多能干细胞相当的iPS细胞，因为一些克隆保留的折叠模式部分类似于制造它们的成体细胞中发现的折叠模式。

该研究发表在Cell Stem Cell杂志上，由工程与应用科学学院生物工程学系助理教授Jennifer Phillips-Cremins和实验室研究生Jonathan Beagan领导，他们还提出了减少这些折叠的方法。错误。

尽管将成体细胞恢复为iPS细胞的技术已经存在了十年，并且避免了使用胚胎干细胞的问题，这些问题阻碍了对再生医学的研究，但这些细胞的临床研究一直是谨慎和缓慢的。IPS细胞可能无法正确分化成所需组织。此外，还有人担心所产生的组织可能具有不可预见的遗传异常或可能变成癌症。

即使在临床应用之外，许多研究人员也对iPS细胞感兴趣，因为它可以产生“盘中疾病”。研究人员可以根据需要使用来自该患者皮肤细胞的 iPS 细胞来生长模型器官，而不是从患有遗传性疾病的患者身上采集组织样本，这对于受影响的器官是大脑尤其具有挑战性。观察这些组织的发展可以提供疾病进展的线索，并且作为尚未批准用于人类的治疗的理想试验台。

然而，在临床和研究应用中，不能清楚地表明能够产生能够正确分化成没有遗传异常的所需组织的“高质量”iPS细胞的特征。

“我们知道基因组的拓扑结构和基因表达之间存在联系，”Phillips-Cremins说，“因此，这促使我们探索在成熟脑细胞重编程过程中如何在细胞核内重新配置遗传物质。多能性。我们发现了iPS细胞和胚胎干细胞之间重要配置的复杂配置的证据。“

Phillips-Cremins的研究领域是“三维表观遗传学”，或DNA折叠影响基因表达的方式。经典表观遗传标记是在DNA序列顶部的化学修饰，其在长碱基对字母序列之上提供额外的信息层。然而，以线性方式观察这些标记并未揭示整个图像，因为基因组折叠可以使DNA的两个不同区域进入空间和功能接触。

通过应用Cremins实验室开发的实验和计算技术，她的小组能够识别以前未曾见过的iPS细胞中的折叠模式。

菲利普斯 - 克雷明斯说：“以前的方法提供的数据类似于旧电视，具有大的黑白像素。” “人们可以生成模糊的图像，并告诉屏幕上有人，但要解析更精细的面部特征是很困难的。我们采用的方法来创建基因组折叠的高分辨率图，因此我们可以区分详细的拓扑特征并评估它们在传统胚胎干细胞，iPS细胞和成熟分化细胞之间的相似性和差异。“

Beagan用于创建高分辨率图的方法涉及修复DNA，使其在测序之前保留其3-D折叠图案。通过标记的距离分开但在DNA折叠时在空间上相邻的线性遗传序列的部分化学胶合在一起。结果，线性序列的两个远端部分将在同一串杂交DNA中结束，因此当DNA测序时将一起检测。

分析这些杂交片段提供的信息允许研究人员在基因组折叠状态下推断出哪些DNA片段彼此相邻。至关重要的是，Cremins实验室的方法仅针对基因组中的特定位点，这使得跨这些区域的高分辨率分析比使用替代的全基因组方法更容易实现。Penn工程实验室报告的地图是迄今为止iPS细胞中基因组折叠的最高分辨率图。

Phillips-Cremins和她的计算团队可以在热图中绘制测序数据，从而提供在干细胞的3-D核中在空间上彼此相邻的DNA片段的图片。

“我们的热图上的每个像素，”Beagan说，“是基因组中任何两个给定片段相互作用的频率的表示。您可以将接触频率数字表示为颜色，将整个DNA区域表示为热图你最终会看到高强度和低强度的有趣模式，从这些模式可以推断出基因组的折叠配置。“

宾夕法尼亚大学的研究人员针对基因组中的几个位置进行计算分析，将iPS细胞与产生它们的细胞进行比较，并将胚胎干细胞理想地完美复制。

他们发现传统的胚胎干细胞和成熟的分化脑细胞具有截然不同的基因组折叠模式。然而，令人惊讶的是，来自iPS细胞的遗传物质没有以完全类似于传统胚胎干细胞的方式折叠，而是显示出来自它们的脑细胞的3-D构型的痕迹。

“我们发现每种细胞类型产生的热图之间存在显着差异，”Beagan说。“我们的观察结果很重要，因为他们认为，如果我们能够推动我们转化为iPS细胞的细胞的三维基因组构象更接近于胚胎干细胞，那么我们就可以生成与金一样的iPS细胞 -标准的多能干细胞更快速，更有效。“

重要的是，研究人员还发现，通过改变生长它们的培养基，它们可以使iPS细胞具有更准确的折叠配置。这一结果为研究人员和临床医生可以更好地设计iPS细胞进行实验和治疗的可能方式提供了一个窗口。Phillips-Cremins实验室已经开始进行实验，以便在干细胞中设计3-D基因组折叠以根据需要控制基因表达。