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Nature:首次成功构建人类近亲iPS细胞

来自索尔克生物研究所的研究人员首次从黑猩猩和倭黑猩猩的皮肤细胞成功转化为诱导多能干细胞(iPSCs)。这项重要研究成果于10月23日发表在《自然》杂志上。

2006年,日本京都大学的高桥和敏与山中伸弥首次构建出小鼠iPSCs,随后人类iPSCs也被成功构建,山中伸弥因此于2012年获得诺贝尔生理学或医学奖。iPSCs技术使得科学家能够从难以获取的活体组织中获得特定细胞类型,用于疾病模型构建。通过添加四个关键转录因子(Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc),皮肤细胞可被重编程为iPSCs,进而分化为肝细胞、肺细胞和神经元等。

如今,iPSCs不仅用于疾病建模,还可通过比较人类与近亲类人猿的iPSCs,揭示决定人类独特性的分子和细胞特征。该研究的共同领导者、高级研究员Iñigo Narvaiza指出:“比较人类、黑猩猩和倭黑猩猩的细胞,有助于理解感染、疾病、脑进化、适应和遗传多样性等生物学过程。此前,黑猩猩和倭黑猩猩的细胞资源仅限于死后组织或血液,而现在我们可以生成三个物种的神经元,直接比较并验证假说。”

研究中,科学家发现了人类与非人类灵长类动物细胞之间跳跃基因(转座子)调控的差异。转座子是一类能在基因组中移动的DNA元件,通过“复制-粘贴”机制改变基因组结构,可能影响基因功能或产生新基因。研究团队鉴定了人类、黑猩猩和倭黑猩猩iPSCs中差异表达的基因,意外发现两个编码限制因子APOBEC3B和PIWIL2的基因在人类iPSCs中表达水平显著高于非人类灵长类。这些蛋白可抑制L1(长散在核元件-1)转座子的活性。共同领导者Carol Marchetto表示:“这一发现出乎意料,因此成为我们优先研究的对象。”

L1转座子在人类基因组中极为丰富,其插入位置难以预测,可能破坏基因、调节表达或产生新蛋白质。通过荧光标记L1,研究小组观察到非人类灵长类iPSCs中荧光阳性细胞比例高于人类。进一步实验表明,过表达APOBEC3B或PIWIL2可减少L1在非人类灵长类细胞中的插入频率。这些结果提示,人类基因组中L1转座子的移动受到更严格的限制。分析已测序的基因组数据,发现黑猩猩基因组中L1拷贝数多于人类。

L1调控差异的生物学意义尚待阐明。Marchetto推测:“人类可能经历了进化瓶颈,减少了基因组的变异性。”尽管验证这一假说困难,但已知人类基因组确实比黑猩猩基因组更稳定。Narvaiza强调,该研究支持利用iPSC技术探索人类与非人类灵长类之间的进化差异。研究团队计划向科学界共享技术和数据,尤其对类人猿研究受限的国家,提供非侵入性、伦理的方法研究灵长类生物学。未来,他们还将分化iPSCs为神经元等组织,比较不同物种的细胞行为,并利用该技术探讨黑猩猩与人类在癌症、遗传病和病毒感染易感性上的差异。

(责任编辑:泉水)