关于人类诱导多能干细胞在转化医学应用中的起源细胞、基因组稳定性与表观遗传记忆的学术综述报告

本文是对发表于*Stem Cells*期刊（2022年，第40卷，第6期，第546-555页）上的一篇题为“Human induced pluripotent stem cells: from cell origin, genomic stability, and epigenetic memory to translational medicine”的综述论文的详细介绍。该综述由德国德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden）药理学与毒理学研究所的 Mareike S. Poetsch, Anna Strano 以及 Kaomei Guan（通讯作者）共同撰写。文章于2022年3月15日在线发表。

论文主题概述 这篇综述论文聚焦于人类诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）在走向临床应用（如疾病建模、药物筛选、个性化医疗和再生治疗）过程中所面临的核心挑战与关键考量因素。论文系统性地讨论了hiPSCs的体细胞来源、基因组稳定性以及表观遗传记忆这三个相互关联的方面，并深入分析了它们如何影响hiPSCs的基础研究与转化应用。

主要观点阐述

第一，体细胞来源与重编程方法对hiPSCs特性的深远影响。 论文开篇指出，自2006年Yamanaka团队开创性工作以来，hiPSCs因其无限自我更新和多向分化潜能而展现出巨大应用前景。然而，用于生成hiPSCs的起始体细胞类型（如皮肤成纤维细胞、血细胞、尿液细胞等）及其重编程方法的选择，并非中性，会显著影响所得hiPSCs的质量和应用方向。作者列举了多种常用的体细胞来源，包括皮肤成纤维细胞、外周血或脐带血中的单个核细胞（如B/T淋巴细胞、CD34+细胞）、毛囊角质形成细胞以及尿液细胞等。尽管多种组织来源的细胞均可被重编程，但效率差异巨大，最高可达4%，且取决于细胞类型、分化状态以及所用方法。 关键论点在于，体细胞来源的选择至关重要，原因有二：其一，体细胞中预先存在的遗传异常（如突变）会传递到其衍生的hiPSCs中；其二，细胞会保留其来源组织的“表观遗传记忆”，这种记忆会影响hiPSCs后续向特定谱系分化的倾向性。因此，在选择用于特定应用（如心脏疾病建模或血液疾病研究）的hiPSCs时，需要考虑其原始细胞类型可能带来的偏好。 关于重编程方法，论文回顾了从最初的整合型逆转录病毒/慢病毒载体，到非整合型方法的发展，包括腺病毒、仙台病毒（Sendai virus, SeV）、附加型载体、微型环状DNA、PiggyBac转座子、合成修饰mRNA以及重组细胞穿透蛋白等。每种方法各有优劣：例如，仙台病毒系统效率高但需筛查残留，附加型载体已用于临床试验但存在安全性担忧，而合成修饰mRNA方法则能产生最无转基因足迹的hiPSCs，但需要多次转染且对血细胞重编程较难。新兴的CRISPR-Cas9介导的基因激活（CRISPRa）技术也被提及，它通过直接激活内源性多能性基因实现重编程，为未来应用提供了新工具。

第二，hiPSCs的基因组不稳定性是临床应用的主要安全顾虑。 论文用大量篇幅详细阐述了hiPSCs在重编程过程及长期培养中可能出现的各类遗传异常，这些异常会限制其效用并带来安全风险。作者将遗传不稳定的来源分为三条途径：1）体细胞中预先存在并随重编程传递的突变；2）重编程过程中新产生的突变；3）长期体外培养过程中累积的突变。 首先，关于染色体异常和亚染色体拷贝数变异（copy number variants, CNVs）。尽管许多hiPSC系保持正常核型，但部分细胞系会出现异常。常见的染色体非整倍体包括12号染色体三体（与细胞增殖优势相关）、17号染色体三体和X染色体三体。亚染色体CNVs则更为常见，其中20q11.21区域的扩增是hiPSCs和胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）中最常见的复发CNV，该区域包含抗凋亡基因BCL2L1和多能性相关基因ID1等，能赋予细胞生长优势。研究发现，hiPSCs具有一些独特的CNV特征，例如1q31.3和17q21.1区域的复发CNV在超过25%的hiPSCs中共享。这些CNV大多并非来自亲本体细胞，而是在重编程或培养过程中新产生的。 其次，关于点突变。平均每个hiPSC系在蛋白质编码区约有10个点突变，在全基因组中则有数百至数千个。这些突变可分为两类：一类是亲本体细胞中预先存在的、在克隆过程中被随机“固定”下来的低频突变，其负荷与供体年龄呈正相关；另一类是在重编程或长期培养过程中新产生的突变。重编程过程伴随的氧化应激和复制应激会导致DNA双链断裂（DNA double-strand breaks, DSBs），而细胞主要依赖同源重组（homologous recombination, HR）和非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）等机制进行修复。若修复过程出错或使用易出错的修复途径，便会引入新突变。论文指出，重编程相关的突变特征（如碱基替换）与氧化应激相关。此外，长期培养中，TP53等肿瘤抑制基因的突变会因赋予生长优势而被正向选择。 作者强调，这些遗传异常（无论是预存的还是新发的）可能导致hiPSCs获得生长优势、分化受阻或分化模式改变，不仅影响疾病表型的准确再现，更在用于细胞治疗时带来潜在的致癌风险。因此，为确保临床应用安全，必须在hiPSCs生成、扩增和分化的关键阶段进行定期的全基因组完整性分析。

第三，表观遗传记忆是hiPSCs区别于ESCs并影响其分化潜能的另一关键特征。 重编程是一个深刻的表观遗传重塑过程，涉及DNA甲基化和组蛋白尾部修饰（如甲基化、乙酰化）的改变，以关闭体细胞特异性基因、激活多能性基因。然而，这种重编程往往不完全，导致hiPSCs保留着对来源组织的一定“记忆”。 论文详细解释了相关的表观遗传机制：在体细胞中，组织特异性基因的启动子区域处于低甲基化和活跃的组蛋白标记（如H3K4me3）状态，而多能性基因则被DNA甲基化和抑制性组蛋白标记（如H3K9me3, H3K27me3）所沉默。在成功重编程的hiPSCs中，多能性基因的启动子应变为低甲基化和活跃标记（如H3K4me3, H3K36me3），而体细胞基因被抑制。然而，研究发现hiPSCs与ESCs之间存在许多差异甲基化区域（differentially methylated regions, DMRs）。其中大部分是新发生的异常甲基化，但有一部分源于亲本细胞的不完全重编程，即表观遗传记忆。 这种残留的记忆会影响hiPSCs的分化倾向。例如，源自血液细胞的hiPSCs在向造血细胞分化时效率更高，因其保留了与造血命运相关基因位点的残余甲基化特征；同样，内皮细胞来源的hiPSCs能更高效地分化为内皮细胞。这种偏向性在早期传代的细胞中尤为明显，但随着长期培养，不同来源hiPSCs之间的差异往往会减弱，这与分化相关基因上双价结构域（同时具有H3K4me3和H3K27me3标记）的出现相关。 作者也指出，表观遗传记忆并非总是坏事。在某些应用中，它可以被利用。例如，源自全基底节隆起（whole ganglionic eminence）的hiPSCs保留了相应的表观基因组记忆，从而能更精确、高效地分化为纹状体中型多棘神经元，这对于亨廷顿病的细胞替代疗法研究可能是有益的。

第四，结论与未来展望：迈向安全可靠的hiPSC应用。 论文总结认为，诱导多能性技术是生物医学领域的突破，为疾病建模、药物筛选、个性化医疗和再生医学提供了强大工具。然而，hiPSCs在遗传稳定性和表观遗传记忆方面存在的异质性，对其应用构成了挑战。 为确保hiPSCs在疾病建模和临床应用的效用与安全，定期进行遗传完整性筛查应成为标准流程，以筛除具有高突变负荷或携带潜在有害突变的细胞系。筛查应贯穿于从初始体细胞选择、hiPSC鉴定、长期培养到终末分化的整个流程。同时，需要开展更大规模的研究，以区分无害的遗传变异和具有临床风险的变异。 关于表观遗传记忆，一方面需要认识到它可能导致不同hiPSC系在基因表达和功能上的差异，从而影响实验的可重复性和结果的解读；另一方面，在某些特定情境下，也可以主动利用这种记忆优势来获得更优质的特定类型细胞用于移植或研究。 最后，作者呼吁需要进一步优化重编程和培养条件，以减少对具有生长优势的突变细胞或表观状态异常细胞的选择压力。

论文的价值与意义 这篇综述的价值在于它系统性地整合了截至2022年关于hiPSCs临床应用三大核心挑战（细胞起源、基因组稳定性和表观遗传记忆）的最新研究进展。它不仅清晰地阐述了问题的来源（体细胞本身、重编程过程、体外培养）、具体表现形式（各种遗传变异、不完全的表观重编程）以及潜在后果（影响分化、致癌风险、应用偏差），还提供了应对策略（定期基因组监测、优化方法、利用记忆优势）。文章结构清晰，论据充分，引用大量前沿研究作为支撑，为从事hiPSC基础研究与转化应用的科研人员和临床工作者提供了一份全面的“指南”和“警示”，强调了在利用hiPSCs巨大潜力时必须严谨对待其内在的生物学复杂性，以推动该领域朝着更安全、更可靠的方向发展。