Cell Stem Cell | 用于大规模研的人诱导多能干细胞参考细胞系

2022-12-28 15:18:21, 亦

撰文 | 亦

人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell, hiPSC）系是研究发育和疾病强有力的工具，它能够捕获疾病风险相关的遗传因素及分化成相关的细胞群体，其基因组能够被编辑以引入或修正疾病相关的突变【1-3】。但由于遗传背景影响细胞表型【4-6】，不同系之间的表型差异使得一些关键发现很难得到重复，不同研究团队之间的数据也很难整合，干细胞领域急需一个特征得到清楚阐释的公共的细胞系。

2022年12月1日，来自杰克逊基因组医学实验室的William C. Skarnes，国立卫生研究院的Mark R. Cookson和Michael E. Ward以及来自代谢科学研究所的Florian T. Merkle合作，共同在Cell Stem Cell上发表了题为A reference human induced pluripotent stem cell line for large-scale collaborative studies的文章，深度刻画了iPSC系的特征，鉴定了一个公共参考系KOLF2.1J，可用于大规模基因组工程研究。

由于人胚胎干细胞系在很多国家都存在使用限制，X染色体的随机失活又可能导致基因表达变化【7,8】，作者首先选择了hiPSC雄性系，去除易于自发分化的MS19-ES-H，作者对剩下的亲本细胞系进行了单克隆，并将得到的衍生物称之为“亚细胞系”（沿用亲本细胞系的名称）。对每一个亲本细胞系，作者挑选1-4个“亚细胞系”进一步培养观察其细胞形态，进一步地，作者选择一个克隆“亚细胞系”观察其分布和传代。最终筛选出来的8个“亚细胞系”具有正常的核型，相似的形态，但存活和增殖速率稍有差异。单细胞RNA测序显示它们均表达干细胞marker，且表达模式与未分化的干细胞一致，7个遗传背景不同的亚系中，有6个的转录组图谱极为相似。

图1 8个iPSC系克隆菌落表型代表性的相位对比显微照片

建立起来的iPSC系能通过获得遗传学的改变而拥有生长优势。TP53突变是最常见的一种，作者将含有p53 DNA结合位点拷贝的质粒转染入hiPSC“亚细胞系”，发现所有细胞系中p53途径都是完整的。作者进一步对每个“亚细胞系”进行全基因组测序（覆盖度30x以上），发现它们插入缺失，功能缺失和错义SNVs的分布都很相似。对相关病理突变的检测发现候选的“亚细胞系”中，阿尔兹海默和相关痴呆（Alzheimer’s disease and related dementias, ADRD）的遗传风险相对中立。使用改进后的同源重组修复条件，hiPSC“亚细胞系”纯合基因型的整体编辑效率超过40%。在CRISPR编辑中获得的SNVs数目要远低于理论设置，“亚细胞系”在基因编辑的过程中会产生一些嵌合性的突变，但大多数都不会产生结构变异。除KUCG3外，hiPSC“亚细胞系”都不包含拥有很大程度遗传变异的嵌合群体，也不会在基因编辑的过程中获得。作者测试了4种已经建立的细胞分化流程，发现hiPSC“亚细胞系”都能分化为目标细胞类型，但分化效率不一。

图2 4种分化流程的实验设计

在对8个hiPSC“亚细胞系”进行遗传学和表型研究后，作者找出了表现最佳的细胞系KOLF2.1J，将其作为候选的参考系。KOLF2.1J在ARID2编辑的过程中不会引入突变，全基因组数据显示其整体潜在有害SNVs的负荷与其他iPSC系相似，而这些突变大多数都是从生殖细胞系来的。此外，它不存在神经系统疾病相关的遗传突变，不会阻碍分子和细胞表型的研究。KOLF2.1J已被培养分化为许多细胞类型，如三胚层细胞，皮层谷氨酸神经元，皮层前脑神经元，骨骼肌细胞等，不同的目标分化类型和不同分化流程对于分化的影响很小，说明KOLF2.1J向多种功能性中央神经系统细胞类型的分化具有鲁棒性和重复性。目前KOLF2.1J及其基因编辑衍生物的相关资料已在网页上公开，作者相信KOLF2.1J能够被广泛使用。

综上，文章对候选的 iPSC系进行亚克隆，利用全基因组测序深入分析了其遗传学组分，使用CRISPR-Cas9进行基因编辑的基因组稳定性及表型特性，鉴定出一个全面表现良好的 iPSC系——KOLF2.1J，促进了干细胞领域大规模整合科学研究的标准建立。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.11.004

制版人：十一

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