外源转录因子整合对于iPSCs多能性的影响研究

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2006年,Yamanaka等人利用逆转录病毒将Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc四个转录因子导入小鼠的成纤维细胞,成功获得了诱导多能干细胞(Induced Pluripotent Stem Cells,iPSCs)。大量研究表明,iPSCs与胚胎干细胞极为相似,具有强大的自我更新能力和分化潜能,已经成为发育生物学领域重要的材料来源,同时它在医学上也可以避免胚胎干细胞研究领域的免疫排斥和伦理问题,具有极大的潜在应用价值。然而,iPSCs的多能性和安全性仍存在某些不确定因素。在利用病毒载体进行诱导的过程中,外源基因随机整合于细胞的基因组中,这种随机整合可能会影响iPSCs的多能性以及安全性。为了探索这个问题,本研究中,我们利用实验与生物信息学分析相结合的方法,对三株经四倍体补偿可获得小鼠后代的iPSCs中外源基因的整合位点以及其与旁侧基因的相互作用进行了研究。共鉴定出四个外源转录因子在三株iPSCs的22个整合位点,涉及39个旁侧基因,其中77.3%(17个)的整合位点位于基因间,22.7%(5个)的整合位点位于远离转录起始位点的基因内含子中。随后,采用表达谱芯片考察了这些基因在iPSCs、小鼠胚胎成纤维细胞(Mouse Embryonic Fibroblasts,MEF)以及胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells,ESCs)中的表达情况,并利用生物信息学分析旁侧基因功能,结果显示,39个旁侧基因中未发现与早期胚胎发育及分化相关基因,且这些旁侧基因中有71.8%(28个)属于管家基因,如Lsm10、Dctn6等,表达谱芯片数据显示这些基因在iPSCs中的表达与其在MEF和ESCs中没有明显差别。通过对研究结果进行分析,我们发现,本研究中的整合位点,均位于基因间或者是远离转录起始位点的内含子中,与之前文献报道的不同,且这些外源基因整合位点的存在,并未对其旁侧基因的表达产生影响,暗示着其无法通过位置效应对其他基因的表达产生影响并进而在iPSCs诱导过程中对iPSCs多能性的获得产生阻碍。同时,旁侧基因多为管家基因,这些基因位于染色质较为开放且有转录活性的区域,为外源转录因子的表达提供环境,从而有利于MEF到iPSCs诱导过程的启动。虽然利用本研究中iPSCs产生的四倍体补偿小鼠在智力及发育状况等方面均与ESCs来源小鼠相似,证明这些iPSCs具有真正的全能性,但是值得注意的是,其在F0代小鼠中却出现了肿瘤的产生。通过分析iPSCs安全性与整合位点之间的关系,我们发现,整合位点500Kb范围内,未发现有原癌基因的存在,同时在肿瘤细胞均发现了外源基因c-Myc的高表达,暗示着本研究中iPSC小鼠肿瘤的产生,很可能与外源转录因子c-Myc的表达未发生沉默相关,而与外源转录因子整合位点无关。综上,我们通过考察外源转录因子(Sox2、Oct4、Klf4、c-Myc)的整合位点及其旁侧基因,对iPSCs多能性及安全性进行了分析,并得到初步结论:在本研究中外源基因的整合未对旁侧基因的表达产生影响,且与旁侧基因的稳定表达一起,可以为iPSCs多能性的获得提供环境,有利于高质量iPSCs的产生。此外,本研究中iPSCs小鼠肿瘤的产生,很可能与外源转录因子c-Myc的未沉默表达相关,而与外源转录因子整合位点无关。
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