許多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病與年齡相關(guān)，并非直接由基因突變引起。其中包括遲發(fā)性神經(jīng)退行性疾病 (NDD)，由于無法獲得大量人腦標(biāo)本，這對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)構(gòu)成了挑戰(zhàn)。重編程技術(shù)的進(jìn)步允許從誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 或直接從體細(xì)胞 (iN) 中獲取神經(jīng)元，從而生成更好的模型來理解新藥的分子機(jī)制和設(shè)計(jì)。

然而，由于重新編程相關(guān)的細(xì)胞再生會(huì)重置供體細(xì)胞的老化標(biāo)志，因此 iPSC 技術(shù)面臨一些限制。直接神經(jīng)元重編程，由此形成神經(jīng)元通過從體細(xì)胞直接轉(zhuǎn)化而無需經(jīng)過多能中間階段，可以生成維持供體衰老和表觀遺傳特征的源自患者的神經(jīng)元。這方面可能有利于研究衰老在神經(jīng)退行性變中的作用以及精細(xì)剖析潛在的病理機(jī)制。該篇綜述比較了iPSC和iN模型的老化狀態(tài)，并探討這種差異如何影響 NDD體外模型的表型。

直接重編程和iPSC衍生神經(jīng)元的衰老特征

首先是表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄特征的變化。衰老變化包括整體異染色質(zhì)減少、核小體丟失和重塑、組蛋白標(biāo)記的變化、CpG島高甲基化的整體 DNA 低甲基化以及染色質(zhì)修飾因子的重新定位。甲基化改變已經(jīng)過校準(zhǔn)以準(zhǔn)確預(yù)測細(xì)胞年齡，并允許對(duì) iPSC 衍生的神經(jīng)元和 iNS 進(jìn)行準(zhǔn)確的老化表征，闡明控制兩種不同重編程策略的表觀遺傳機(jī)制及其對(duì)細(xì)胞的影響維持細(xì)胞年齡。

圖1 iPSC衍生和直接轉(zhuǎn)化神經(jīng)元 (iN) 中的 DNA 甲基化

其次是線粒體功能的改變。線粒體是細(xì)胞主要能量發(fā)生器，也是細(xì)胞衰老和與年齡相關(guān)的 NDD 的主要目標(biāo)。神經(jīng)元線粒體通過調(diào)節(jié)能量代謝、細(xì)胞死亡、活性氧 (ROS) 產(chǎn)生、鈣穩(wěn)態(tài)和大分子生物合成，在突觸傳遞和細(xì)胞存活中發(fā)揮重要作用。神經(jīng)元幾乎完全依賴于線粒體介導(dǎo)的葡萄糖氧化磷酸化來滿足其能量需求。有研究發(fā)現(xiàn)，成纖維細(xì)胞衍生的iPSC和從 iPSC 重新衍生的成纖維細(xì)胞中線粒體質(zhì)量和功能都有顯著改善，細(xì)胞重編程到多能狀態(tài)也被證明可以使線粒體相關(guān)細(xì)胞死亡機(jī)制恢復(fù)到胚胎階段。這些細(xì)胞恢復(fù)線粒體功能和線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡信號(hào)，這對(duì)于防止在存在染色體和基因組突變的情況下可能發(fā)生的致癌轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)也非常重要。據(jù)報(bào)道，從 iPSC 分化而來的中型多刺神經(jīng)元 (MSN) 不含典型亨廷頓蛋白 (HTT) 聚集體，而經(jīng)典亨廷頓蛋白 (HTT) 聚集體是 HD 的特征，并且缺乏明顯的細(xì)胞死亡表型。相反，直接轉(zhuǎn)化為 MSN 的患者始終表現(xiàn)出突變 HTT (mHTT) 聚集體、mHTT 依賴性 DNA 損傷、線粒體功能障礙以及培養(yǎng)過程中隨時(shí)間的自發(fā)退化。

衰老特征對(duì)腦疾病模型的影響

盡管許多NDD引起的突變已在很大程度上得到表征，但由于缺乏與人類神經(jīng)元生理學(xué)正確相似的模型，進(jìn)行藥物篩選研究仍然非常困難。iPSC來源的神經(jīng)元可塑性增加，可以更有效地誘導(dǎo)成熟表型。然而，iPSC 衍生的神經(jīng)元表型更類似于胚胎階段，表觀遺傳老化重置，因此對(duì)于建模與老化相關(guān)的疾病而言并不是最佳選擇。

直接重新編程能夠克服這個(gè)問題，但是轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低。有的分化方案用于直接重編程 (PDR) 的多能性因子可以產(chǎn)生可擴(kuò)展的神經(jīng)元祖細(xì)胞 (iNPC)，但是可能會(huì)改變表觀遺傳和轉(zhuǎn)錄衰老的特征。比如使用SOX2和C-MYC從血細(xì)胞直接重編程會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)神經(jīng)元干細(xì)胞 (iNSC) 早期階段與年齡相關(guān)的DNA甲基化特征丟失。下表是使用iPSC 或直接重編程給神經(jīng)退行性疾病建模的總結(jié)。

表1 iPSC 衍生和直接重編程衍生神經(jīng)元中的疾病相關(guān)表型

未來前景

年齡與遲發(fā)性 NDD 發(fā)展具有相關(guān)性（圖2）。由于難以獲得可作為研究分子機(jī)制和測試藥理治療的平臺(tái)的人類細(xì)胞來源，神經(jīng)變性模型一直具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，iPSC 分化和直接神經(jīng)轉(zhuǎn)換方法已成為獲得可在體外重現(xiàn)人類疾病表型相對(duì)可靠的工具。

圖2 年齡與遲發(fā)性 NDD 發(fā)展的相關(guān)性

使用 iNs 研究與年齡相關(guān)的疾病的一個(gè)主要障礙是再現(xiàn)性和效率差。開發(fā)研究 NDD 和尋找潛在藥物的平臺(tái)需要足夠數(shù)量的可再生細(xì)胞，使用直接神經(jīng)轉(zhuǎn)換協(xié)議將工具轉(zhuǎn)化為更大規(guī)模是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

Aversano S, Caiazza C and Caiazzo M (2022) Induced pluripotent stem cell-derived and directly reprogrammed neurons to study neurodegenerative diseases: The impact of aging signatures. Front. Aging Neurosci. 14:1069482.doi: 10.3389/fnagi.2022.1069482

編譯作者: 原代美少女 (Brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì))

校審: Simon (Brainnews編輯部)