日本东京工业大学发现iPS细胞应对辐射的DNA修复保护机制

东京工业大学科学技术创成研究院核能先进研究所的岛田干男助教和松本义久副教授组成的研究团队,利用源自人类皮肤的成纤维细胞制作了iPS细胞,探明了iPS细胞应对辐射的有关基因表达变化。

研究背景

包括人类在内的生物细胞基因组DNA经常因紫外线和放射线等来自细胞外的刺激而受损。DNA损伤会引起基因突变和细胞癌变,所以必须立即进行修复。所以细胞都具备一套DNA修复机制来保护DNA。

另一方面,iPS细胞具备分化成各种细胞的能力,在器官再生和疾病治疗等临床应用领域备受期待。但iPS细胞可能癌变的问题一直存在,因此亟需查清癌变的机制。一般来说,细胞发生癌变的原因在于DNA“受损”。这种损伤通常会通过DNA修复机制修复,可是此前科学家们对iPS细胞的DNA修复控制机制则一直不清楚。因此,本研究团队尝试搞清iPS细胞的NA修复机制等保护DNA稳定的分子原理。

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图1:此次研究采用的细胞明视野显微镜图像

左图为源自人类皮肤的成纤维细胞,中间为在胎鼠的成纤维细胞上培养iPS细胞时,右图为仅培养iPS细胞时。

研究成果

研究团队利用人类成纤维细胞制备了iPS细胞,并解析了其与基因组稳定性有关的多基因表达。另外,还利用iPS细胞培养神经干细胞,同时还分析了皮肤成纤维细胞→iPS细胞→神经干细胞的分化路径中基因表达的变化。

首先,研究团队用5Gy的γ射线照射细胞1小时,然后提取RNA,利用二代测序仪比较了基因表达情况。分析发现,从成纤维细胞变回iPS细胞的初始化过程中,负责保持DNA修复和细胞周期检查点等保证遗传基因稳定的分子表达量增加。

另外,与细胞凋亡有关的基因表达也有增加。由此可见,发生一定程度DNA损伤的细胞会通过细胞死亡被主动消除。颇为有趣的是,CDKN1A基因会产生名为p21的蛋白质,但在iPS细胞中p21的表达量则大幅下降。P21在DNA受损时会暂停细胞分裂周期,以保证DNA修复所需的时间。P21的表达量大幅减少意味着细胞分裂周期不会停止。也就是说,对于那些无需停止细胞分裂周期也能修复的损伤,立即就会启动修复;如果是超过一定阈值的损伤,则通过细胞死亡直接放弃。

另外研究还确认,不论有无辐射也会有基因表达增加的现象,但这些倾向并非iPS细胞特有的,而是与普通细胞高度相似。

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图2:iPS细胞的基因组稳定性相关基因的表达变化

从经过照射1小时5Gy的γ射线(IR)的人类皮肤成纤维细胞(fibroblasts)、iPS细胞、神经干细胞(NPCs)以及未照射(NT)放射线细胞中提取出RNA,并利用二代测序仪进行解析的结果。纵轴为FPKM,表示相对基因表达量。图中可见,在iPS细胞中,与DNA修复、细胞周期检查点和细胞凋亡有关基因的表达量均有增加。而分化为神经干细胞后,表达量则有增有减。这被认为与神经发生有关,暗示神经系统对该基因的所需程度。

iPS细胞为多能干细胞的一种,可以分化成各种器官。作为基因蓝图的基因组DNA必须保持稳定。此次的研究成果明确了iPS细胞可以通过控制基因表达来维持基因组DNA稳定性的保护机制,如果判断难以维持DNA稳定性时,就立即通过细胞凋亡消除受损细胞。

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图3 研究结果:iPS细胞初始化后,通过增加与基因组稳定性有关的基因表达来维持基因组的稳定性

此次研究团队通过全面解析iPS细胞的基因表达,明确了人类保护身体免受辐射和紫外线侵害的基因调节机制。今后有望通过分子生物学方法查清各基因的功能,从而为再生医疗和辐射防护的发展做贡献。

相关研究成果已于10月28日在Oxford Journal出版社发行的日本放射线影响学会的《Journal of Radiation Research》期刊网络版上公开。

论文信息
题目:Reprogramming and differentiation-dependent transcriptional alteration of DNA damage response and apoptosis genes in human induced pluripotent stem cells
发表期刊:《Journal of Radiation Research》
DOI:10.1093/jrr/rrz057 outer

本文由JST翻译整理

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