Zuletzt aktualisiert: August 17, 2026
Induzierte pluripotente Stammzellforschung im Zeitalter der Präzisionsmedizin
Takashi Hamazaki Nihal El Rouvon Natalie C. Fredette Katherine E. Santostefano Naohiro Terada
Erstveröffentlichung: 18 Januar 2017 https://doi.org/10.1002/stem.2570
Jüngste Fortschritte in der DNA-Sequenzierungstechnologie zeigen, wie menschliche genetische Variationen mit unterschiedlichen Gesundheitsrisiken verbunden sind, Krankheitsanfälligkeiten, und Arzneimittelreaktionen. Es wird nun erwartet, dass solche Informationen dabei helfen, individuelle Gesundheitsrisiken einzuschätzen, Entwerfen Sie personalisierte Gesundheitspläne und behandeln Sie Patienten präzise. Es ist immer noch eine Herausforderung, Jedoch, um zu verstehen, wie solche genetischen Variationen die phänotypischen Veränderungen der Pathobiologie und des Ansprechens auf die Behandlung verursachen. Vom Menschen induzierte pluripotente Stammzelle (iPSC) Technologien erweisen sich als vielversprechende Strategie, um die Wissenslücken zwischen genetischen Assoziationsstudien und den zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu schließen. Durchbrüche bei den Genom-Editierungstechnologien und die kontinuierliche Verbesserung der iPSC-Differenzierungstechniken machen diese Forschungsrichtung insbesondere realistischer und praktischer. Bahnbrechende Studien haben gezeigt, dass iPSCs, die aus einer Vielzahl monogener Krankheiten stammen, Krankheitsphänotypen in vitro originalgetreu nachbilden können, wenn sie in krankheitsrelevante Zelltypen differenziert werden. Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, Krankheitsphänotypen teilweise zu rekapitulieren, auch bei spät einsetzenden und polygenen Erkrankungen. In jüngerer Zeit, Es wurde gezeigt, dass iPSCs die Auswirkungen von krankheits- und behandlungsbedingten Einzelnukleotidpolymorphismen validieren, die durch genomweite Assoziationsanalyse identifiziert wurden. In dieser Rezension, Wir werden diskutieren, wie die iPSC-Forschung im kommenden Zeitalter der Präzisionsmedizin weiter zur menschlichen Gesundheit beitragen wird. Stammzellen 2017;35:545–550
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Bedeutungserklärung
Jeder Mensch verfügt über einen einzigartigen Satz an Genvariationen, die die Anfälligkeit für und den Schutz vor häufigen und seltenen Erkrankungen beeinflussen. Allerdings müssen Zusammenhänge zwischen menschlicher Gesundheit und individuellen Variabilitäten grundsätzlich validiert werden, Es ist immer noch eine Herausforderung, Auswirkungen auf tatsächliche biologische Prozesse zu validieren. Vom Menschen induzierte pluripotente Stammzellen bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Rolle genetischer Varianten bei der Pathogenese zu untersuchen. Dieser Aufsatz gibt einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen und zeigt, wie die Forschung mit induzierten pluripotenten Stammzellen im kommenden Zeitalter der Präzisionsmedizin weiter zur menschlichen Gesundheit beitragen wird.
Jüngste Fortschritte in der Humangenomforschung führen zu einer Ära der Präzisionsmedizin
Das erste menschliche Referenzgenom wurde entworfen 2001 nach einer internationalen Zusammenarbeit zwischen akademischen Institutionen, mit dem Ziel, genetische Variationen im gesamten menschlichen Genom zu charakterisieren 1, 2. Nach Abschluss des Humangenomprojekts, Es wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, diese genetischen Varianten zu katalogisieren, Das erste davon war das internationale HapMap-Projekt, Ziel war der Aufbau von Haplotypblöcken der häufigsten genetischen Variationen, nämlich, Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) in der gesamten menschlichen Bevölkerung 3, 4. Der 1000 Genomprojekt (http://www.1000genomes.org/) charakterisierte häufige und seltene genetische Variationen in 2,504 Einzelpersonen aus 26 verschiedene Populationen mithilfe von Next-Generation-Sequenzierungsmethoden und dichten Genotypisierungsarrays 5. Mit dem Zustrom von Informationen und der Verfügbarkeit von Genotypisierungsplattformen, Durch genomweite Assoziationsanalyse wurde es möglich, Millionen von SNPs von Hunderten bis Tausenden von Individuen gleichzeitig abzufragen (GWAS). Dieser Ansatz hat das Gebiet der Genetik revolutioniert, Dadurch können viele genetische Assoziationen durch einen Agnostiker hergestellt werden, nicht hypothesengesteuerter Ansatz. Seit den ersten Wellen von GWAS-Veröffentlichungen in 2005, 23,058 SNP-Merkmalsassoziationen wurden im National Human Genome Research Institute – European veröffentlicht (NHGRI–EBI) Katalogsumme 2,502 GWAS-Studien 6
Die Pharmakogenomik ist ein Fachgebiet, das sich der Identifizierung genetischer Determinanten der Arzneimittelreaktion oder unerwünschter Wirkungen widmet und einen Schlüssel zum Konzept der Präzisionsmedizin darstellt, Dazu gehört die Nutzung des Genotyps als Orientierungshilfe bei der Medikamentenauswahl. Trotz einer fruchtbaren Ära der GWAS-Erkenntnisse in der Pharmakogenomik, Viele dieser Varianten haben es noch nicht in die klinische Anwendung geschafft. Eine große Hürde bei der Implementierung der Pharmakogenomik ist der unbekannte zugrunde liegende mechanistische Zusammenhang(S) zwischen Phänotyp und Genotyp der Arzneimittelreaktion. Während einige SNPs in biologisch relevanten Genen für den untersuchten Phänotyp lokalisiert sind, Die Mehrzahl der Varianten liegt in nichtkodierenden Bereichen des Genoms, wobei ein direkter Zusammenhang mit dem Phänotyp unbekannt ist und eine Rolle bei der Genregulation vermutet wird. Die Entschlüsselung der Rolle der damit verbundenen genetischen Signale, um aufzudecken, wie diese Varianten auf molekularer und zellulärer Ebene funktionieren, ist für ein klares Verständnis des Krankheitsprozesses und die Umsetzung der personalisierten Medizin von entscheidender Bedeutung.
In 2015, Die Obama-Regierung kündigte den Start einer Präzisionsmedizin-Initiative der National Institutes of Health an 7, 8 (https://www.nih.gov/precision-medicine-initiative-cohort-program) In dieser Initiative, Es werden groß angelegte Kohortenstudien durchgeführt, um den individuellen Lebensstil zu integrieren, Umfeld, und genomische Informationen, Aufbau einer umfassenden Wissensbasis, die das individuelle Krankheitsrisiko und das Ansprechen auf Behandlungen vorhersagen kann. Die Genomsequenzierung und die Charakterisierung der genetischen Variabilität waren erste Schritte auf dem Weg zu den Zielen der Präzisionsmedizin, individuelle Daten für die Diagnose zu nutzen, behandeln, und das Ansprechen auf medizinische Behandlungen vorhersagen. Mit dem Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation und rapide sinkenden Kosten, Es ist möglich, das gesamte Genom zu untersuchen, ganzes Exom (Proteinkodierung), und Transkriptom (RNA-Transkript) Sequenzierung zur Untersuchung der Zusammenhänge mit phänotypischen Merkmalen/Krankheitszuständen. Zusätzlich, Integration multidimensionaler Omics-Daten (Z.B., Genomik, Transkriptomik, Epigenomik, Proteomik, und Metabolomik) verspricht, biologische Wechselwirkungen bei komplexen Krankheiten aufzuklären und wichtige genetische Varianten zu beleuchten, die bei genetischen Ansätzen aufgrund fehlender strenger statistischer Signifikanz möglicherweise übersehen werden.
Allerdings müssen Zusammenhänge zwischen menschlicher Gesundheit und individuellen Variabilitäten grundsätzlich validiert werden, Es ist immer noch eine Herausforderung, Auswirkungen auf tatsächliche biologische Prozesse zu validieren. Die Verwendung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSC) ist ein attraktives System zur Modellierung genetischer Varianten, um molekulare Konsequenzen in einem relevanten Zelltyp zu untersuchen. Die iPSC-Technologie programmiert eine voll ausgereifte Körperzelle in eine pluripotente Stammzelle um, die alle genetischen Eigenschaften eines einzelnen Patienten behält. Diese iPSCs können dann in mehrere verschiedene Gewebetypen differenziert werden (für eine wachsende Liste validierter Meilensteine der Gewebedifferenzierung, siehe Zelle Stammzelle 18, Marsch 2016) 9, 10. Gene-Editing-Systeme wie CRISPR-CAS9 oder TALEN werden Studien erweitern, die darauf abzielen, die Mechanismen und funktionellen Konsequenzen genetischer Variationen aufzuklären 11, 12. Dies kann durch die Bearbeitung einzelner Nukleotide erfolgen, Einführung oder Umkehrung von Mutationen in iPSCs und Beobachtung der phänotypischen Veränderungen in terminal differenzierten Zellen.
iPSCs zur Heilung monogener Erkrankungen
Krankheiten können monogene oder polygene Ursachen haben. Monogene Erkrankungen, Erkrankungen, die durch die Vererbung eines einzelnen defekten Gens verursacht werden, gelten als selten, da die Prävalenz jeder Krankheit recht gering ist, normalerweise weniger als 1/10,000 bei der Geburt. Die Zahl der Erkrankungen mit bekannten ursächlichen Genorten hat sich zuletzt verdoppelt 10 Jahre, wie in Online Mendelian Inheritance in Man zu sehen ist (OMG) Eintragsstatistik. Verbesserung der genetischen Diagnostik und Durchführung von Screening-Programmen (Z.B., Neugeborenenscreening und Hochrisikoscreenings) ermöglichen es, Menschen mit solch einer seltenen Krankheit zu identifizieren. Infolge, seltene genetische Erkrankungen betreffen 350 Millionen Menschen weltweit und die weltweite Prävalenz aller einzelnen Genkrankheiten bei der Geburt liegt bei etwa 100.000 Menschen 1/100. Seit der Etablierung menschlicher iPSCs in 2007 13, 14, Es bestand eine außerordentliche Erwartung, die Zellen zur Modellierung menschlicher „Krankheiten in einer Schale“ zu nutzen. 15, 16. Bahnbrechende Studien haben gezeigt, dass iPSCs, die aus einer Vielzahl monogener Erkrankungen stammen, Krankheitsphänotypen in vitro originalgetreu nachbilden können, wenn sie in krankheitsrelevante Zelltypen differenziert werden 17, 18. Die Generierung von iPSC-Linien von Patienten mit diesen monogenen Erkrankungen ist ein nützlicher Ansatz zur Etablierung eines dauerhaften In-vitro-Menschenmodells und wurde in zahlreichen veröffentlichten Studien nachgewiesen 19-22. Durch gemeinsame Anstrengungen von Forschungsgemeinschaften ist eine Vielzahl krankheitsspezifischer iPSC-Linien entstanden, die über iPSC-Banken leicht verfügbar sind 23 und Forscher können möglicherweise interessante Stammzelllinien finden, um weitere mechanistische Studien durchzuführen oder die Zellen direkt für das Arzneimittelscreening einzusetzen.
Obwohl durch die iPSC-Forschung viele wichtige Entdeckungen für monogene Erkrankungen gemacht wurden, Eine der aufregendsten Studien ist ein aktueller Bericht über Achondroplasie von Yamashita et al. 24. Wichtig, Die Autoren haben sorgfältig eine Methode entwickelt, um iPSCs in Chondrozyten zu differenzieren, um Knorpelgewebe zu bilden. Dies war ein entscheidender Schritt für Yamashita et al., denn die Entwicklung geeigneter Differenzierungsprotokolle für krankheitsrelevante Zelltypen kann immer noch ein limitierender Faktor für die iPSC-Forschung sein. Sie konnten die abnormale Knorpelbildung während der In-vitro-Differenzierung von iPSCs von Patienten mit Achondroplasie im Vergleich zu denen von gesunden Kontrollpersonen erfolgreich rekapitulieren. Außerdem, beim Compound-Screening, Sie zeigten, dass Statine, weit verbreitete lipidsenkende Medikamente, korrigierte unerwartet den degradierten Knorpel im iPSC-Modell. Diese beispielhafte Arbeit rekapituliert anschaulich Krankheitsprozesse in einem Gericht und demonstriert den Nutzen und das Versprechen von iPSC-Modellen, neuartige Behandlungen für seltene monogene Erkrankungen zu entdecken.
Zusätzlich zur zweidimensionalen Monoschichtdifferenzierung oder grundlegenden dreidimensionalen (3D) aggregierte Differenzierung, Mehrere Gruppen haben ausgefeilte 3D-Differenzierungsprotokolle entwickelt, Aufgrund ihrer Fähigkeit, organisierte Strukturen zu bilden, die an sich entwickelnde Organe erinnern, werden sie oft als „organoide Kultur“ bezeichnet. Vor allem, für die Organoidkultur des Zentralnervensystems, Lancaster et al. zeigten, dass iPSCs, die von einem mikrozephalen Patienten stammten, tatsächlich ein kleineres Gehirnorganoid bildeten als iPSCs einer gesunden Kontrollgruppe 25. Ähnlich, Es wurden mehrere organoide Kulturtechniken für iPSCs entwickelt, um andere Gewebetypen und Organe zu erzeugen (Optikbecher, Hypophyse) 26, 27. Zweifellos, Diese bahnbrechenden Entdeckungen werden die notwendige Komplexität für eine genauere Modellierung von Erkrankungen schaffen und größere Möglichkeiten für die präklinische Erprobung von Behandlungsmöglichkeiten für menschliche Zellen in vitro bieten.
iPSCs zur Definition weiterer phänotypischer Variationen bei monogenen Erkrankungen
Bei monogenen Erkrankungen des Menschen, Eine einzelne Genmutation ist überwiegend für den Phänotyp der Erkrankung verantwortlich. In vielen Fällen, Wir können vorhersagen, wie sich eine bestimmte Mutation in einem einzelnen Gen auf die Proteinfunktion auswirkt (Z.B., Restenzymaktivität), was mit der Schwere und dem Erscheinungsbild einer Krankheit korreliert. Es ist, Jedoch, Es ist immer noch schwierig, klinische Symptome genau vorherzusagen, Schweregrad und Ausbruch der Erkrankung abhängig von der Art der Mutation. Ein Beispiel für diese Herausforderung ist die Gaucher-Krankheit (GD), eine autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung, die durch Mutationen im GBA-Gen verursacht wird, das für Glucocerebrosidase kodiert (GCase) 28. GCase ist ein lysosomales Enzym, das die Hydrolyse des Glykolipids Glucocerebrosid zu Ceramid und Glucose katalysiert. Patienten mit GD zeigen ein breites Spektrum klinischer Symptome, einschließlich Hepatosplenomegalie, Knochendeformation, hämatologische Anomalie, und neurologische Symptome. Die N370S-Mutation in GBA kommt häufig im Typ vor 1 GD, die mit nicht-neuronalen Symptomen einhergeht. Auf der anderen Seite, Die L444P-Mutation kommt häufig im Typ vor 2 oder 3 GD, was mit neurologischen Symptomen einhergeht. Rekombinationsereignisse des GBA-Locus mit einem benachbarten Pseudogen wurden auch mit einigen ungewöhnlichen klinischen Erscheinungen in Verbindung gebracht 29. Phänotypische Variabilitäten, Jedoch, wurden bei Patienten mit identischen GBA-Mutationen beobachtet, etwa zwischen betroffenen Geschwisterpaaren, und sogar zwischen eineiigen Zwillingen. Im Fall eineiiger Zwillinge, einer war von GD betroffen, der andere hatte selbst bei geringer GCase-Aktivität keine klinischen Symptome 30. In GD, Ein Mangel an GCase führt zur Akkumulation des Zwischenmetaboliten Glucosphingolipide Glucosylceramid, welches durch eine extralysosomale GCase weiter zu Sphingosin metabolisiert wird, GB2. interessant, Die Deletion von GBA2 in einem GD-Mausmodell rettete viszerale und Knochensymptome, Dies deutet darauf hin, dass GBA2 möglicherweise gezielt eingesetzt werden könnte, um bestimmte schwächende Manifestationen von GD zu lindern 31.
In einer anderen Studie, Awad et al. deckte die Beteiligung lysosomaler Dysfunktionen und einer Autophagieblockade während des neurodegenerativen Prozesses der GD auf, indem neuronale Zellen verwendet wurden, die aus den iPSCs von Patienten mit GD stammen 2 GD (neuropathische Form). Nach Rapamycin-Behandlung, Der neuronale Tod wurde bevorzugt in Neuronen dieses Typs induziert 2 GD-iPSCs, aber nicht tippen 1 GD-iPSCs. Obwohl Expression des Transkriptionsfaktors EB (TFEB), Der Hauptregulator lysosomaler Gene wurde herunterreguliert, Die Überexpression von TFEB stellte den neurodegenerativen Prozess in Neuronen vom Typ nur teilweise wieder her 2 GD-iPSCs 32. Diese Ergebnisse stellen einen vielversprechenden Weg dar, genetische und nichtgenetische zu identifizieren (epigenetisch und/oder umweltbedingt) Modulatoren, die krankheitsverursachende Mutationen beeinflussen. Da iPSCs von Individuen mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund generiert werden können, und genomische Loci können in iPSCs angegriffen werden, Aus solchen iPSCs gewonnene krankheitsrelevante Zelltypen werden ein unverzichtbares Werkzeug zur Validierung neu vorgeschlagener Krankheitsmechanismen und zum Screening von Umweltfaktoren/kleinen Verbindungen zur Modulation von Krankheitsphänotypen sein.
iPSCs zur Untersuchung der Rolle von SNPs bei polygenen Störungen und unterschiedlichen Arzneimittelreaktionen
Viele häufige menschliche Krankheiten und Merkmale werden durch verschiedene genetische und umweltbedingte Faktoren beeinflusst. Polygene Erkrankungen resultieren aus der additiven Vererbung mehrerer subtiler Polymorphismen, was in einem beeinträchtigten Phänotyp gipfelt. In 2016, fast 5,000 Krankheitsphänotypen wurden in OMIM katalogisiert und mit kausalen Genorten verknüpft (http://omim.org/statistics/entry). GWAS hat Hunderte von genetischen Varianten im Zusammenhang mit verschiedenen Erkrankungen erfolgreich identifiziert und wertvolle Erkenntnisse für die Diagnostik geliefert, Prognose, und therapeutische Optimierung für komplexe menschliche Krankheiten 33. Ein Beispiel für eine gemeinsame, Die komplexe und polyfaktorielle Erkrankung ist der Bluthochdruck (HTN). HTN stellt in den USA eine große Gesundheitsbelastung dar. das betrifft ungefähr 80 Millionen Menschen 34 und die direkte Patientenbehandlung beträgt nahezu 40 Milliarden Dollar pro Jahr 35. Zusätzlich, HTN erhöht das Risiko für fortgeschrittene Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Schlaganfall und Herzinsuffizienz 34, 36 Zahlreiche blutdrucksenkende Mittel wie Diuretika, ACE-Hemmer, Angiotensin-Rezeptor-Blocker, Derzeit sind Betablocker und Kalziumkanalhemmer erhältlich, Ihre Wirksamkeit auf den Blutdruck variiert jedoch von Person zu Person. GWAS und Fallstudien für Kandidatengene haben mehrere genetische Varianten identifiziert, die den Blutdruck regulieren oder zum pharmakologischen Weg eines Arzneimittels beitragen können 37. Tiermodelle werden intensiv zur Untersuchung systemischer Erkrankungen wie HTN eingesetzt, Allerdings sind sie möglicherweise nicht immer geeignet, die biologischen Auswirkungen menschlicher genetischer Varianten zu verstehen. Es ist auch schwierig, eine große Anzahl geeigneter Gewebe zu erhalten, die für den interessierenden Phänotyp relevant sind (Z.B., glatte Gefäßmuskulatur oder Endothel) von einer Person mit einem bestimmten Genotyp, um die biologischen oder funktionellen Konsequenzen dieser genetischen Variationen zu testen. Um solchen Herausforderungen zu begegnen, Biel et al.. hat daraus ein iPSC-Repository erstellt 17 HTN-Patienten, deren genomweite SNP-Variationen sowie klinische Reaktionen auf blutdrucksenkende Medikamente verfügbar waren 38. Die iPSCs wurden aus einer Blutentnahme von mononukleären Zellen des peripheren Bluts generiert, die von Teilnehmern der Pharmakogenomischen Bewertung der blutdrucksenkenden Reaktion gesammelt wurden (BIRNE) Studie 39 (https://Clinicaltrials.gov/NCT00246519). Biel et al.. Anschließend differenzierten sie diese iPSCs zu glatten Gefäßmuskelzellen und quantifizierten ihre Kontraktion als Reaktion auf verschiedene physiologische Reize 38. Außerdem, Die Studie zeigte auch die Fähigkeit von iPSCs, eine SNP-assoziierte Modifikation der PRKCA-Expression zu rekapitulieren. Es wurde gut dokumentiert, dass der SNP rs16960228 in mehreren GWAS-Kohorten mit einer hypertensiven Arzneimittelreaktion sowie unterschiedlichen Expressionsniveaus von PRKCA assoziiert ist. Diese Daten unterstützen die Anwendbarkeit und den translationalen Wert von iPSCs bei der Modellierung von GWAS-Ergebnissen.
Ein weiteres Beispiel für die Modellierung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen mithilfe von iPSCs wird von Ebert et al. vorgestellt. 40. Ebert et al.. untersuchten einen SNP im Gen, das für Aldehydronease kodiert 2 Enzym, Dies führt zu einem Verlust der kardioprotektiven Wirkung und erhöht das Risiko für koronare Herzerkrankungen und ischämische Herzerkrankungen. Kardiomyozyten (CM) unterscheiden sich von iPSCs, die aus einer ostasiatischen Population stammen, die für einen gemeinsamen ALDH2*-SNP genotypisiert wurde (MAF = 0,08), zeigten, dass CMs, die den ALDH2*-Genotyp tragen, ein erhöhtes Maß an oxidativem Stress und der Bildung des Aldehyd-Nebenprodukts 4HNE aufwiesen. Die Akkumulation dieser beiden Nebenprodukte führte zu einem gestörten Zellzyklus und einer Apoptose-Signalisierung, was den Schaden verschlimmerte und die zelluläre Erholung nach ischämischer Belastung in den CMs von ALDH2*-Trägern verringerte, Dadurch werden die zellulären Mechanismen für eine erhöhte Krankheitsanfälligkeit für einen einzelnen SNP ermittelt.
Endlich, Es ist allgemein bekannt, dass die Unterschiede in der Anfälligkeit und Arzneimittelreaktion auf HTN und multiple polygene Erkrankungen je nach ethnischer Gruppe unterschiedlich sind (d.h., Afroamerikaner vs. Westeuropäischer Amerikaner), Es wird wichtig sein, den Nutzen solcher iPSC-Bibliotheken basierend auf dem ethnischen Hintergrund zu verstehen. Bewältigung der Herausforderung der Diversität in der Krankheitsgenetik mithilfe von iPSCs, Chang et al. berichteten über den Aufbau einer iPSC-Bank aus ethnisch vielfältigen Bevölkerungsgruppen 41. Zusammengenommen, Diese Studien zeigen, dass eine iPSC-Bibliothek mit definierten SNPs und phänotypischen Daten eine nützliche Ressource sein wird, um die Auswirkungen von GWAS-identifizierten SNPs zu validieren und das mechanistische Verständnis menschlicher physiologischer und pathologischer Zustände zu erleichtern.
Es wird immer wichtiger zu verstehen, wie bestimmte Risikovarianten funktionell zur zugrunde liegenden Pathogenese beitragen. Verglichen mit einer einzelnen Genmutation, die bei monogenen Krankheiten auftritt, Die Auswirkungen von SNP-Varianten können oft geringfügig oder subtil sein. Es ist wichtig, isogene Zellen zu nutzen, um die Bedeutung solcher Genvarianten zu entschlüsseln. Jüngste Fortschritte in der Genomeditierungstechnologie (Z.B., CRISPR/Cas9-Systeme) haben die Fähigkeit vereinfacht, bestimmte genetische Orte für Funktionsstudien anzuvisieren. Geneditierungsmethoden bei iPSCs wurden an anderer Stelle ausführlich besprochen 42, 43. Soldner et al. demonstrierten den funktionellen Zusammenhang von GWAS-identifizierten Risikovarianten der Parkinson-Krankheit in Neuronen, die aus menschlichen iPSCs stammen 44. Sie konzentrierten sich auf mit der Parkinson-Krankheit assoziierte Risiko-SNPs, die sich in einem α‐Synuclein befanden (SNCA) regulatorische Region basierend auf genomweiten epigenetischen Informationen. Durch die Etablierung von TaqMan SNP-Genotypisierungstests für die quantitative Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion, Sie konnten subtile Veränderungen in der allelspezifischen Transkription von SNCA zwischen zwei SNPs überwachen, die sich in der SCNA-Enhancer-Region befinden. Als Folgeansatz, Sie haben das einzelne Allel der SNPs mithilfe des CRISPR/Cas9-Systems ausgeschaltet, um zu sehen, wie die SNPs die SNCA-Expression beeinflussen. Sie fanden heraus, dass die allelspezifische Expression grob zu einem Anstieg der gesamten SNCA-Expression führte 1.06 Zeiten in Neuronen und 1.18 Zeiten in neuronalen Vorläufern. Außerdem, Es wurde eine sequenzabhängige Bindung der gehirnspezifischen Transkriptionsfaktoren EMX2 und NKX6-1 an diesem Locus entdeckt.
Im Rahmen der Next Generation Genetic Association Studies (Nächste Generation) Programm, Verschiedene Forschungsbereiche hinterlegen jetzt iPSC-Ressourcen, generiert aus Individuen, die verschiedene Erkrankungen repräsentieren, sowie gesunden Kontrollpersonen, mit dem Ziel, Erkenntnisse aus der funktionellen Genomik durch mechanistische Untersuchungen zu ergänzen. Das Programm zielt darauf ab, iPSC-Linien aus mehr als zu generieren 1,500 Privatpersonen, von denen einige über eine öffentliche iPSC-Bank erhältlich sind (http://www.wicell.org/home/stem-cell-lines/collections/collections.cmsx). Jede iPSC-Linie ist mit klinischen Daten verknüpft (Z.B., Lipidzustand, QT-Intervall und EKG-Herzmerkmal, Lungen-HTN) sowie das Alter, Geschlecht und ethnischer Hintergrund. SNP-Genotypisierung, Genexpression, Für diese Linien werden in Zukunft auch Omics-Analysedaten verfügbar sein.
Es ist von entscheidender Bedeutung, dass hochwertige iPSC-Linien auch mit qualitativ hochwertigen genetischen und klinischen Daten gepaart werden. Dies kann durch große Kooperationen erleichtert werden, die harmonisierte Phänotypen anhand etablierter Kriterien für die Diagnose und einer genauen Phänotypdefinition generieren, mit dem ultimativen Ziel, die Variabilität des Phänotyps zu verringern. Je genauer ein Phänotyp definiert ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, das verantwortliche Gen und genetische Varianten zu identifizieren 45. Mit solchen standardisierten Phänotypen, Genetische Entdeckungen und deren Replikation können vorangetrieben werden, Dies kann auf iPSC-Studien mit den relevanten Geweben übertragen werden. Eine Studie von Akawi et al. zeigt, dass der Wert von Deep-Sequencing-Informationen abnimmt, wenn sie nicht mit hochwertigen Phänotypdaten von Patienten gekoppelt werden 46. Hier kann eine Analogie gezogen werden, wenn wir an den verminderten Wert von iPSC denken, wenn wir nicht über einen genau definierten klinischen Phänotyp verfügen, der letztendlich in einer Schale in einen zellulären Phänotyp übersetzt wird. daher, Für die kollaborativen genetischen Konsortien wird es immer wichtiger, Verfahren zur Phänotypermittlung zu etablieren, um den größtmöglichen Nutzen aus der iPSC-Modellierung zu ziehen.
iPSCs zum Verständnis genetischer und phänotypischer Variationen über GWAS hinaus
Es wurde kürzlich gezeigt, dass besonders seltene genetische Varianten vorkommen, wie homozygote Variantendefekte, die zu seltenen Pathologien führen, kann auch mit einem erhöhten Risiko für häufigere Krankheiten einhergehen. Zum Beispiel, having a pathogenic GBA mutation for Gaucher’s Disease (GD) 28 (Z.B., N370S, L444P) in one allele (carrier) will not usually manifest the full symptoms of GD, but does increase risk for Parkinson’s disease 47, 48. The odds ratio for the GBA mutation in PD was greater than 5, which is unusually high compared to risk loci found from GWAS 49. Auf der anderen Seite, there is an example where a rare genetic variant has a protective effect on a complex disease. SLC30A8 encodes an islet zinc transporter (ZnT8) and ZnT8 has been known as a key regulator of insulin secretion in pancreatic beta cells. 50. Außerdem, large scale GWAS identified a common variant (p.Trp325Arg) on SLC30A8 that results in an increased risk for type 2 Diabetes (T2D) 51-53. Tierversuche mit dieser Variante, Jedoch, zeigten widersprüchliche Ergebnisse zur Pathogenese von T2D. Durch internationale Verbundstudien wurde ein Durchbruch erzielt, Ziel war es, Varianten mit Funktionsverlust zu finden, die vor T2D schützen. Sequenzierungsdaten von mehr als 150,000 Menschen identifizierten heterozygote Individuen für eine Nonsense-Variante (P. Arg 138*) in einer finnischen Kohorte ausgestellt a 60% reduziertes Typrisiko 2 Diabetes 54. Kürzlich, Chen et al. schlugen den umgekehrten Ansatz vor, um gesunde Individuen zu finden, die gegen hochgradig durchdringende Formen genetischer Störungen im Kindesalter resistent sind. Sie sequenzierten 874 Gene in 589,306 Genomen und gefunden 13 Erwachsene trugen Mutationen für 8 schwere Mendelsche Erkrankungen ohne gemeldete klinische Manifestation der angegebenen Krankheit 55. Dies könnte ein erster Schritt zur Entdeckung schützender genetischer Varianten sein, und weitere mechanistische Studien werden erwartet. Wie oben besprochen, iPSCs werden auch hier als leistungsstarkes Werkzeug zur Analyse der molekularen Mechanismen der genetischen Assoziationen dienen, hoffentlich zu neuen therapeutischen Entdeckungen führen.
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Abschluss
Wir sammeln unser Wissen über die Genetik menschlicher Krankheiten, Wir beginnen zu erkennen, dass jeder Mensch über einen einzigartigen Satz an Varianten verfügt, die zur Anfälligkeit und zum Schutz für eine Vielzahl von Störungen beitragen. Selbst bei seltenen monogenen Erkrankungen variieren die Phänotypen je nach Mutationstyp, genetischer Hintergrund und Umweltfaktoren. Um die Präzisionsmedizin weiter voranzutreiben, Es wird immer wichtiger, die molekularen Mechanismen zu analysieren, die diesen Genotyp-Phänotyp-Assoziationen zugrunde liegen. Menschliche iPSCs bieten eine einzigartige Gelegenheit, diese Wissenslücken zu schließen, und ihre erwartete zunehmende Nutzung durch Forscher über zelluläre Repositorien machen sie zu einem entscheidenden Reagens für die nächste Generation von Studien zur Krankheitsgenomik (Feige. 1).
Figur 1
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Stammzellentaktik zur Weiterentwicklung der Präzisionsmedizin. Jeder Mensch verfügt über einen einzigartigen Satz an Genvariationen, die die Anfälligkeit für und den Schutz vor beiden Gemeinsamkeiten beeinflussen & seltene Erkrankungen. Menschliche iPSCs bieten eine einzigartige Gelegenheit, die Rolle genetischer Varianten für die Pathogenese zu untersuchen. Abkürzung: iPSCs, induzierte pluripotente Stammzellen.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde teilweise von der japanischen Agentur für medizinische Forschung und Entwicklung unterstützt, AMED, Praktisches Forschungsprojekt für seltene/hartnäckige Krankheiten, Nationale Gesundheitsinstitute (GM119977 und DK104194), Amerikanische Herzvereinigung (16GRNT30980002), und das Clinical and Translational Science Institute der University of Florida (UL1TR001427). NCF is a recipient of postdoctoral fellowship T32 DK074367.
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