实验室制备的干细胞为何会失败？

　　诱导多能干细胞为再生医学带来了希望，因为从理论上说，它们可以变成任何类型的组织，并且，因为它们是由病人自身的成人细胞制成，因此保证了兼容性。然而，将成人细胞变成这些iPS细胞的技术，并非万无一失，在恢复它们的多能状态之后，这些细胞并不总是能正确地分化恢复到成年细胞。延伸阅读：Nature：新方法解决造血干细胞移植困境。

　　现在，来自宾夕法尼亚大学的研究人员发现了其中一个原因：逆转过程并不总是完全捕获一个细胞的基因组被折叠进其细胞核的方式。这个折叠结构直接影响基因的表达，从而影响细胞的功能。

　　这项新的研究表明，当前技术可能不会产生相当于胚胎中发现的多能干细胞那样的iPS细胞，因为一些克隆保留的折叠模式，部分类似于成年细胞中发现的模式。

　　这项研究由工程和应用科学学院生物工程系助理教授Jennifer Phillips-Cremins及其实验室的研究生Jonathan Beagan带领完成，发表在《Cell Stem Cell》杂志，也指出了将这些折叠错误最小化的方法。

　　虽然将成人干细胞转化回iPS细胞的技术已经存在了十年，并避免了围绕着“使用胚胎干细胞”出现的问题，这些问题阻碍了这些细胞的再生医学研究，因此临床调查一直是谨慎而缓慢的。iPS细胞可能无法正确地分化成所需的组织。此外，也有人担心由此产生的组织可能有不可预见的基因异常，或可能癌变。

　　即使在临床应用以外，许多研究人员感兴趣的是，iPS细胞作为生成“培养皿疾病”的一种方式。研究人员不是从一名遗传疾病患者身上采集组织样本——当受影响的器官是大脑时，这是特别具有挑战性的，而是可以利用来自患者皮肤细胞的iPS细胞，制备所需的模型器官。观察这些组织的发展，可以提供关于疾病进展的线索，以及作为治疗的理想试验平台——没有批准用于人类。

　　然而，在临床和研究应用中，允许产生“高质量”iPS细胞的特性，能够正确分化成所需的组织，而没有不清楚的基因异常。

　　Phillips-Cremins说：“我们知道，在基因组拓扑结构和基因表达之间有一种联系，这激励着我们探索，在成熟脑细胞重编程为多能性的过程中，遗传物质在细胞核内的三维空间中是如何被重新配置的。”

　　Phillips-Cremins的研究领域是“3D表观遗传学”，或DNA折叠影响基因表达的方式。经典的表观遗传标记是DNA序列上的化学修饰，提供了长序列碱基配对字母上的另一层信息。然而，以线性方式研究这些标记，并不能揭示整个画面，因为基因组折叠可能使DNA的两个不同区域，产生空间和功能上的联系。

　　通过应用Cremins实验室开发的实验和计算技术，她的团队能够识别iPS细胞中的折叠模式，这在以前是看不见的。Phillips-Cremins说：“以前方法提供的数据类似于一个旧电视，具有大的黑白像素。一台电视可生成一个模糊的形象，并能告诉在屏幕上有一个人，但很难解析更精细级别的面部特征。我们使用某种方法来创建高分辨率的基因组折叠图，这样我们就可以区分详细的拓扑特性，并评估它们与传统胚胎干细胞、iPS细胞和成熟分化的细胞之间的相似之处以及差异。”

　　Beagan用于创建高分辨率图像的方法，包括修复DNA，这样其三维折叠模式在测序之前得以保存。线性基因序列的部分，明显被标记的距离所分开，但是当DNA被化学粘合在一起时，它们在空间上是相邻的。因此，线性序列两个遥远的部分，最终将以一串相同的混合DNA字符结束，从而在DNA测序时被一起发现。

　　分析这些混合片段提供的信息，可允许研究人员推断出，哪些DNA片段在基因组折叠状态中相互毗邻。至关重要的是，Cremins实验室的方法，只靶定基因组中的特定位点，这使得研究人员更容易实现这些区域之间的高分辨率分析，而不是用替代的全基因组方法。宾夕法尼亚大学工程实验室报道的图片，是目前iPS细胞中最高分辨率的基因组折叠图。

　　Phillips-Cremins和她的计算团队可以在热点图上绘制测序数据，从而揭示了干细胞三维细胞核中在空间上彼此相邻的DNA片段。Beagan说：“我们热图上的每个像素点，代表基因组中任何两个给定部分相互作用的频率。你可以将接触频率数量用颜色表示，将整个DNA区域作为一个热图。你最终看到了高的和低的强度的有趣模式，并且从这些模式可以推断出基因组的折叠配置。”

　　宾夕法尼亚大学的研究人员，靶定了基因组上的几个区域，以进行他们的计算分析，从而将iPS细胞与生成它们的细胞、以及理想状态下它们应该完美复制的胚胎干细胞，进行了比较。

　　他们发现，传统的胚胎干细胞和成熟分化的脑细胞，有明显不同的基因组折叠模式。然而，令人惊讶的是，iPS细胞的遗传物质并没有按照类似于传统胚胎干细胞的方式进行折叠，而是表现出衍生它们的大脑细胞的三维结构。

　　Beagan说：“我们发现，我们为每个细胞类型生成的热图之间存在明显差异。我们的观察结果很重要，因为它们表明，如果我们能够将我们正转化为iPS细胞的细胞的3D基因组构象，更接近于胚胎干细胞，那么我们就可以更迅速和有效地生成与标准多能干细胞相匹配的iPS细胞。”

　　重要的是，研究人员还发现，他们可以通过改变细胞的培养基，制备出具有更精确折叠结构的iPS细胞。这个结果对于研究人员和临床医生更好地设计iPS细胞用于实验和治疗的可能方法，提供了更多的见解。Phillips-Cremins实验室已经开展了实验，在干细胞中设计3D基因组折叠，以按需地控制基因的表达。