誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞揭示了人類和類人猿之間的差異

索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的研究人員首次將黑猩猩和倭黑猩猩的皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSCs)，這是一種能夠在體內(nèi)形成任何其他細(xì)胞或組織的細(xì)胞。

2006年，日本京都大學(xué)的Kazutoshi Takahashi和Shinya Yamanaka發(fā)明了老鼠的iPSCs，人類的iPSCs也緊隨其后，并在去年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，科學(xué)家們經(jīng)常使用iPSCs來(lái)用細(xì)胞來(lái)模擬疾病，否則很難從活人或動(dòng)物身上獲得這些細(xì)胞。通過(guò)添加四種關(guān)鍵因素的組合，皮膚細(xì)胞可以被制成iPSC，然后誘導(dǎo)iPSC在培養(yǎng)皿中形成肝、肺和腦細(xì)胞。

現(xiàn)在不僅可以用這些細(xì)胞來(lái)模擬疾病，還可以將人類的ipsc與我們的近親——類人猿——進(jìn)行比較，從而了解是什么分子和細(xì)胞特征使我們成為人類。

將人類、黑猩猩和倭黑猩猩的細(xì)胞進(jìn)行比較，可以為我們了解諸如感染、疾病、大腦進(jìn)化、適應(yīng)或遺傳多樣性等生物過(guò)程提供線索。到目前為止，黑猩猩和倭黑猩猩細(xì)胞的來(lái)源僅限于死后組織或血液。例如，現(xiàn)在你可以從這三種不同的物種中產(chǎn)生神經(jīng)元，并將它們進(jìn)行比較，以驗(yàn)證假說(shuō)。

在2013年10月23日發(fā)表在《自然》(Nature)雜志網(wǎng)絡(luò)版上的這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，人類和非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物細(xì)胞在跳躍基因或轉(zhuǎn)座(一種可以復(fù)制并粘貼到整個(gè)基因組的dna元素)的調(diào)控上存在差異?？茖W(xué)家們說(shuō)，跳躍基因提供了一種快速重組DNA的方法，可能正在塑造我們基因組的進(jìn)化。

在索爾克的弗雷德·蓋奇(Fred Gage)、第六世和約翰·阿德勒(John Adler)的實(shí)驗(yàn)室里，納韋扎、馬切托和同事們?cè)谌祟?、黑猩猩和倭黑猩猩的iPSCs中發(fā)現(xiàn)了差異表達(dá)的基因。

令該研究小組吃驚的是，其中兩個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)可以限制一種名為“長(zhǎng)穿插元素1”(long interspersed element-1，簡(jiǎn)稱L1)的跳躍基因。與非人類靈長(zhǎng)類細(xì)胞相比，人類iPSCs表達(dá)了更高水平的這些限制性因子，即APOBEC3B和PIWIL2。“我們沒(méi)想到會(huì)這樣，”馬切托說(shuō)。“這些基因吸引了我們的眼球，所以它們是我們首先關(guān)注的目標(biāo)。”

L1和其他一些跳躍基因在我們的基因組中非常豐富。這些DNA片段的插入位置很難預(yù)測(cè)，它們會(huì)產(chǎn)生各種各樣的影響。例如，它們可能會(huì)完全擾亂基因，調(diào)節(jié)基因，或者導(dǎo)致基因被加工成全新的蛋白質(zhì)。

使用標(biāo)記有熒光標(biāo)記的L1，該小組觀察到非人類靈長(zhǎng)類的熒光iPSCs數(shù)量高于人類。在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，他們生產(chǎn)了帶有過(guò)多或過(guò)少的APOBEC3B和PIWIL2的iPSCs，如預(yù)期的那樣，他們發(fā)現(xiàn)這兩種蛋白質(zhì)的過(guò)量抑制了移動(dòng)性并減少了新插入的DNA在非人類靈長(zhǎng)類細(xì)胞中的出現(xiàn)。

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