Cell Stem Cell：線粒體DNA突變潛藏於iPS細胞

06-05

在一項新的研究中，美國俄勒岡健康與科學大學（OHSU）胚胎細胞與基因治療中心主任Shoukhrat Mitalipov博士及其研究團隊首次證實一個存在已久的假設：當變老時，基因突變積累在人們的線粒體（即細胞能量工廠）中。

研究人員發現作為一類對病人的皮膚細胞或血細胞進行重編程而產生的幹細胞，誘導性多能幹細胞（iPS細胞）含有存在缺陷的線粒體DNA。相關研究結果於2016年4月14日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Age-Related Accumulation of Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Adult-Derived Human iPSCs」。論文通信作者為Shoukhrat Mitalipov和Taosheng Huang。

Mitalipov說，「人們長期以來認為我們的線粒體DNA中的致病性突變是衰老和年齡相關性疾病的一種驅動力，不過一直都缺乏明確的證據。如今，利用這項研究中的證據，我們知道我們必須篩選iPS細胞中發生的突變，或者在年齡更為年輕時收集人體細胞製造iPS細胞，從而確保它們的線粒體基因是健康的。這種對細胞在自然衰老過程中如何遭受損傷的基本了解可能有助消除發生基因突變的線粒體在退化性疾病中發揮的作用。」

線粒體基因位於細胞核外面，已知容易遭受損傷。當我們變老時單個細胞內隨機產生的線粒體DNA基因突變能夠限制細胞恰當地製造能量、產生信號和發揮功能的能力。

基於幹細胞的潛在療法有巨大的希望用於治療人類疾病。然而，線粒體缺陷可能能夠破壞iPS細胞修復受損組織或器官的能力。為了避免損害iPS細胞的治療價值，Mitalipov和同事們建議對這些細胞進行線粒體DNA突變篩選。

美國辛辛那提兒童醫院醫學中心線粒體疾病項目主任和醫學遺傳學家Taosheng Huang博士說，「如果想要在人體中使用iPS細胞，那麼必須核查線粒體基因組中的突變。每個細胞[發生的突變]可以是不同的。兩個相鄰的細胞可能擁有不同的突變或者不同的突變比例。」

論文共同作者、美國梅約診所再生醫學中心主任Andre Terzic博士說，「這個跨學科的合作研究鑒定出『線粒體基因組完整性』是評估病人來源性再生產品臨床應用能力的一個至關重要的指標。」

每個人擁有數萬億個細胞，而每個細胞具有上千個線粒體。當細胞老化時，每個線粒體基因組可能存在上千個不同的突變。因為每個細胞具有它自己獨特的突變，所以當研究人員研究含有上百萬個細胞的一小塊皮膚或一滴血液時，大多數線粒體突變是隱藏的。僅當每個細胞擁有相同突變時，這種突變才能夠檢測到。

然而，在iPS細胞中，這些突變能夠檢測到。在製造iPS細胞系的過程中，研究人員對每個病人皮膚細胞或血細胞進行克隆擴增。因此，iPS細胞系中的每個細胞將含有與初始的體細胞（即皮膚細胞或血細胞）一樣的線粒體DNA突變。

在這項研究中，研究人員並不只是研究一種iPS細胞系。他們獲得來自每種病人組織樣品的10個iPS細胞克隆株，並對它們進行測序，以便更好地理解線粒體的DNA突變率。

研究人員獲取健康的和患有退行性疾病的年齡在24歲到72歲的人的皮膚和血液樣品。當他們檢測這些皮膚細胞或血細胞中的線粒體DNA突變時，突變水平似乎較低。

研究人員隨後分析了每個病人20個iPS細胞系---10個由病人的血細胞重編程而產生，另外10個由病人的皮膚細胞重編程而產生。當對這些iPS細胞系進行測序時，他們發現較高數量的線粒體DNA突變，特別是源自年齡大於60歲的病人的iPS細胞系。他們分析了130個iPS細胞系，發現它們當中的80%存在線粒體DNA突變。他們也發現每個iPS細胞系中較高比例的線粒體含有突變。iPS細胞系中線粒體DNA突變載量越高，這個細胞的功能破壞得更重。

研究人員建議針對每個病人產生多個iPS細胞系，然而選擇受到最少破壞的iPS細胞系。

2013年5月，Mitalipov在世界上首次證實利用體細胞核移植（SCNT）技術將一個人的皮膚細胞成功地製造為人胚胎幹細胞。2007年，他利用SCNT技術製造出非人靈長類動物的胚胎幹細胞。OHSU科學家也已證實SCNT允許在保留病人細胞核的情形下，利用健康供者卵細胞的線粒體替換髮生突變的線粒體基因。

原始出處：Age-Related Accumulation of Somatic Mitochondrial DNA Mutations in Adult-Derived Human iPSCs

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