Nature子刊：超过70%的hiPSC都存在突变风险，使用之前先测序？

2022-08-17 09:04 生物谷

当紫外线照射时，紫外线会导致自由基的产生，然后与DNA碱基相互作用，使其氧化，这些氧化碱基在复制过程中的正确配对率较低，导致突变的发生。

2022年8月11日，Nature Genetics在线发表了由英国剑桥大学（University of Cambridge）和维康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）等机构的科学家合作的题为《Substantial somatic genomic variation and selection for BCOR mutations in human induced pluripotent stem cells》的研究。

该研究表明，近72%的皮肤成纤维细胞来源的 hiPSC（F-hiPSC）存在紫外线导致的DNA损伤；血液来源的 hiPSC（B-hiPSC）的突变较少，但 26.9% 的 B-hiPSC 携带 BCOR 突变，且这种突变会带来功能性的后果。

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诱导性多能干细胞最初是日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）于2006年利用病毒载体将四个转录因子（Oct4, Sox2, Klf4 和c-Myc）的组合转入分化的体细胞中，使其重编程而得到的类似胚胎干细胞的一种细胞类型，具有分化成任何细胞的能力。随后世界各地不同科学家陆续发现其它方法同样也可以制造这种细胞。2012年10月8日，Shinya Yamanaka因此与 John B. Gurdon共同获得诺贝尔生理学和医学奖。诱导多功能干细胞可以从自体细胞中诱导，不存在伦理问题，且实验方案成熟，在包括再生医学方面的很多疾病治疗中都很有前景，但其安全性也备受质疑，特别是如何避免干细胞在体内无序繁殖，导致癌化。

本文作者通过对包含696个hiPSC及其子代克隆株的两个hiPSC库进行全基因组测序，发现约72%的皮肤成纤维细胞来源的hiPSC存在紫外线引起的DNA损伤，这种损伤偶尔也会导致大量DNA突变的出现。他们还发现来源于同一个皮肤成纤维细胞的hiPSC的子代中也存在显著的基因组的异质性。相比之下，血液来源的hiPSC具有更少的紫外线引起的DNA损伤和基因突变，但是它们却具有更高的BCOR基因的突变，突变率高达26.9%。

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皮肤成纤维细胞及F-hiPSC突变的过程（引自原文）

因为BCOR是多梳蛋白家族成员，维持细胞的自我更新和干细胞的分化，它的突变会引起包括肿瘤在内的很多疾病的发生。为了研究BCOR的突变是否能改变hiPSC的功能，作者又对这些hiPSC细胞进行了RNA测序，结果发现BCOR突变导致了1万多个基因的表达出现改变，其中UTF1，VENTX，IRX4，PITX2，MIXL1，FOXC1这六个基因上调的最为显著，而RAX基因下降的最明显。

进一步，作者研究了BCOR突变对hiPSC分化能力的影响，作者用四株来源于血液的BCOR非突变的B-hiPSC（俩株）和BCOR突变的B-hiPSC（两株），定向分化成神经元细胞，结果发现BCOR突变株分化神经元的能力受限，甚至在第27天检测不到神经元的标志物TUBB3。最后，作者还发现hiPSC在体外长时间的培养，也能导致其DNA被氧化损伤。基于这些发现，作者提出在构建hiPSC时要注意，选取的体细胞类型要具有较低的基因组损伤，同时要减少细胞培养的时间。

干细胞和干细胞治疗在iPSC技术成熟以后，被广泛应用到临床研究中。本文指出iPSC来源的干细胞可能存在突变的风险，提示可能在应用这些hiPSC之前要先进行全基因组测序，以避免致病性突变的引入。而近些年，随着测序技术的更新和普及，全基因组测序的价格也日趋下降，使得这一技术由科研慢慢走向临床。

但测序只能从结果上来判定哪些细胞株有突变，要根本性的提高hiPSC的非突变率，还要从来源的体细胞着手。因为取材的方便，我们常用的诱导hiPSC的体细胞主要包括皮肤和血液，但文中指出皮肤来源的hiPSC可能存在紫外线引起的DNA损伤，血液来源的hiPSC又具有更高的BCOR突变，可见选取新的体细胞尤为重要。同时，文中提及长时间的培养能累计DNA的氧化损伤，这提示了在hiPSC的构建和培养上，要尽量减少细胞培养的时间。同时科学家在日常的科研中，也要注意hiPSC细胞的培养时间，以免累计的DNA损伤导致hiPSC的分化能力受损。

同时，我们注意到皮肤的成纤维细胞由于暴露在外，长期收到紫外线的照射，导致其DNA损伤不断积累，从而导致由其诱导的hiPSC也存在突变的风险，这从侧面也提示我们日常防晒的重要性。DNA复制是一个高度精细化，保真性的过程，遵守碱基互补配对原则，但仍然存在错配的可能。当紫外线照射时，紫外线会导致自由基的产生，然后与DNA碱基相互作用，使其氧化，这些氧化碱基在复制过程中的正确配对率较低，导致突变的发生。

参考资料：

Rouhani, F.J., Zou, X., Danecek, P. et al. Substantial somatic genomic variation and selection for BCOR mutations in human induced pluripotent stem cells. Nat Genet (2022). https://doi.org/10.1038/s41588-022-01147-3.

撰文｜摆渡人编辑｜小耳朵