ELISA检测表明与正常人iPSCs相比，马凡综合症病人来源的iPSCs中TGF-β信号传导活性增强
美国斯坦福大学医学院研究人员证实被视为人胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs)替代选择的诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)能够像ESCs一样真实反映基因疾病---比如马凡综合症(Marfan syndrome)---的确定缺陷。2011年12月12日，该研究在线发表在《美国国家科学研究院学报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上。这项研究的立即影响就是人们将能够从个人层面利用iPSCs在分子水平上研究马凡综合症。另一方面，ESCs由于它们的遗传物质来自捐献者的胚胎不是来自病人自己的胚胎，所以不能做同样事情。
利用iPSCs为很多种人类疾病构建模型的前景是激动人心的，赢得一些人的广泛赞扬，但同时又遭遇其他人投射来的敏锐眼光。因此关于iPSCs应用的原理证明也是更加有普遍意义的，因这样能提高iPSCs的可信性。不同于ESCs，iPSCs几乎能够从任何人身上轻松获得，而且拥有与它们来源的病人相同的遗传背景。再者，它们因为不需破坏胚胎而不会产生伦理争议。
这篇研究的通讯作者Michael Longaker教授说，“我们的体内研究发现的内在机制可能能够用来解释马凡综合症的临床表征。”
马凡综合症是一种遗传性结缔组织疾病，发病几率为一万分之一到两万分之一。它是由于一个基因存在的大量缺陷之中任何一个缺陷导致的。患有这种疾病的人们往往非常高大和消瘦，而且往往遭受骨质疏松症的折磨。医学专家们推测美国第16任总统亚伯拉罕-林肯(Abraham Lincoln)也患有这种疾病。马凡综合症也能够深深地影响眼睛和心血管系统。
在这项研究中，iPSCs和ESCs都携带一种导致马凡综合症的基因突变，两者都表现出受损的骨组织形成能力，而且都很容易形成软骨。这些异常都反映出该疾病最为显著的临床表征。
诱导性多功能干细胞，或者说iPSCs，是2006年发现的，是从完全分化的诸如皮肤之类组织获得的。然而，在器皿中，它们具有ESCs同样的分化为身体所有组织和无限繁殖的能力。因为iPSCs提供一种没有伦理上担忧的胚胎干细胞替代选择，它们点燃了人们的希望：基于科学家们一直努力在器皿上分析根本上造成从糖尿病到帕金森疾病等各种疾病甚至非常复杂的诸如心血管病和自闭症之类疾病的细胞缺陷，它们能够在这方面替代ESCs。
对iPSCs而言，一种希望就是能够在器皿上将它们分化为感兴趣的组织---比如说，帕金森疾病或自闭症病人的神经细胞---然后去观察和研究这些细胞的特征从而能够以一种病人特异性的方式理解这种疾病。这对于ESCs而言几乎是不可能的，除非来自捐献的人卵来源的ESCs能够被修饰，即将病人自己的遗传物质替换性置入这些卵中从而反映病人自己的遗传背景，但是迄今为止这种方法是难以实现的。
尽管科学家们为利用这些细胞设置的目标远不只是用于研究目的---开发再生医学方面的治疗应用---，但是前景是极其暗淡的。科学家们将首先不得不开发出方法以便能够在这些细胞(不论是iPSCs还是ESCs)内部修复造成病人疾病的基因缺陷，然后将这些细胞大量分化以便替换受影响的组织，从而可能在再生医学上进行应用。再者，从理论上讲，iPSCs更加值得试一下，因为它们最初是从特定病人身上获得的，它们能够分化产生的组织更加不可能产生宿主移植排斥，而利用宿主胚胎ESCs产生的类似组织则很可能激起宿主移植排斥。
然而，大量研究报道iPSCs和ESCs之间存在微妙的差别，意味着这两者可能不是等价的。 Longaker说，专家们一直想知道这些差别是否可能使得iPSCs在构建疾病状态模型上是不能足够替换ESCs的。
当斯坦福大学生育和生殖医学中心主任Barry Behr，一名产科与妇科教授，开展胚胎植入前基因诊断以便鉴定出适合体外受精的胚胎时，一种能够直接比较ESCs和iPSCs的机会在机缘巧合中产生了。Behr和斯坦福大学生殖和干细胞生物学中心主任Renee Reijo Pera (一名妇科教授)都是该研究论文的共同作者，他们发现一种候选胚胎携带一种导致马凡综合症的基因突变。这种胚胎因而被视为不适合进行植入。但是它是携带导致马凡综合症的基因突变的胚胎干细胞的一个潜在来源。因此，研究人员不是丢弃或储存它，而是在得到许可后获得Longaker研究小组用于研究的胚胎干细胞。
随后就是就是全明星级研究人员合作开展研究，他们包括斯坦福大学医学院几个部门的高级职员和意大利那不勒斯费德瑞科二世大学(University of Naples Federico II)研究人员。这些研究人员从这种携带导致马凡综合症的基因突变的胚胎中获得ESCs。他们也从另一名来自斯坦福大学的论文共同作者Uta Francke博士(一名遗传学和儿科教授)那儿获得马凡综合症病人皮肤活组织样品，通过现在常规的实验方法将这些样品中的成纤维细胞重编程为iPSCs。
Longaker说，“我们将iPSCs和ESCs一起放在培养器皿上，两者都含有导致马凡综合症的缺陷基因。这是一个直接比较它们的绝佳机会。”
当他们这样做时，Longake、论文第一作者Natalina Quarto博士和他们的助理发现从马凡综合症综合症病人皮肤获得的iPSCs和从携带导致马凡综合症的基因突变的胚胎中获得的ESCs都表现出与观察到的该疾病骨骼症状异常特征一样的特点---骨组织形成能力下降，相反更加容易形成软骨。
这些科学家们开始研究时就知道导致马凡综合症的基因突变位于编码蛋白FIBRILLIN-1的基因中。重要的是，已知FIBRILLIN-1反过来会抑制细胞间信号传导分子TGF-β的活性。小鼠研究已表明FIBRILLIN-1缺失或者发生突变导致它不能产生这种抑制作用。这篇研究第一次在人身上证实干细胞不能形成骨组织而是大量产生软骨直接原因是它们要比正常的人细胞接触到更多和活性更强的TGF-β。
iPSCs能够完全忠实地重复ESCs开展实验时观察到的马凡综合症细胞和分子缺陷，确实可能允许iPSCs用于研究，而且长期而言，甚至可以逐个病例的方式治疗疾病。尽管马凡综合症是一种单基因疾病，但是它能够和确实由一个基因的大量突变---迄今为止已鉴定出600多种突变---中任何一个突变导致，这就表明不同病人在症状上存在着一些微妙差异。(生物谷：towersimper编译)
doi:10.1073/pnas.1113442109
PMC:
PMID:
Skeletogenic phenotype of human Marfan embryonic stem cells faithfully phenocopied by patient-specific induced-pluripotent stem cells
Natalina Quarto, Brian Leonard, Shuli Li, Melanie Marchand, Erica Anderson, Barry Behr, Uta Francke, Renee Reijo-Pera, Eric Chiao, and Michael T. Longaker
Marfan syndrome (MFS) is a heritable connective tissue disorder caused by mutations in the gene coding for FIBRILLIN-1 (FBN1), an extracellular matrix protein. MFS is inherited as an autosomal dominant trait and displays major manifestations in the ocular, skeletal, and cardiovascular systems. Here we report molecular and phenotypic profiles of skeletogenesis in tissues differentiated from human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells that carry a heritable mutation in FBN1. We demonstrate that, as a biological consequence of the activation of TGF-β signaling, osteogenic differentiation of embryonic stem cells with a FBN1 mutation is inhibited; osteogenesis is rescued by inhibition of TGF-β signaling. In contrast, chondrogenesis is not perturbated and occurs in a TGF-β cell-autonomous fashion. Importantly, skeletal phenotypes observed in human embryonic stem cells carrying the monogenic FBN1 mutation (MFS cells) are faithfully phenocopied by cells differentiated from induced pluripotent-stem cells derived independently from MFS patient fibroblasts. Results indicate a unique phenotype uncovered by examination of mutant pluripotent stem cells and further demonstrate the faithful alignment of phenotypes in differentiated cells obtained from both human embryonic stem cells and induced pluripotent-stem cells, providing complementary and powerful tools to gain further insights into human molecular pathogenesis, especially of MFS.
