不同组织与疾病来源的iPS多能性差异及其调控的分子机制研究

项目名称： 不同组织与疾病来源的iPS多能性差异

起止年限：依托部门：及其调控的分子机制研究

Miguel Esteban 中国科学院广州生物

医药与健康研究院

2011.1至2015.8 中国科学院

首席科学家：

二、预期目标

总体目标：

基于对iPS更能差异性的认识，研究其调控的分子机制，解决iPS应用前存在的关键科学难题，为iPS的临床应用奠定理论基础并提供新的技术方法。本项目的完成可为影响我国人民健康的重大疾病的治疗提供理论基础和新的思路。进一步提升我国在干细胞理论研究在国际科学界的地位。在实际应用方面，可利用基础理论的研究结果，设计出治疗疾病的新方法。本项目的完成也可为我国生物高技术产业化的发展提供理论指导，并产生社会效益和经济效益。由于iPS与其它相关学科的密切关系，iPS的研究和发展还可指导和应用到其它学科，带动相关学科和相关生物医学研究领域的发展。

五年预期目标:

1.通过iPS细胞不同来源间的差异研究，绘制出不同来源人iPS表观和转录水平全景图，为更全面了解和认识iPS细胞提供基础。

2.提出iPS功能性差异的调控机制，并基于此机制推进促进项目其它领域发展。

3.首次提出并证实iPS存在免疫原性问题，并对其进行深入研究，为其临床应用提供参考。

4.过基因修复制技术定点修复疾病iPS细胞中的突变基因，为iPS的临床应用克服关键的技术难题。

5.通过高效安全人iPS方法、基因修复及造血分化技术的建立，探索?地中海贫血等疾病的治疗提供新方案。

6.发表SCI收录论文60-80篇，力争在SCI影响因子20分以上的杂志上发表论文2篇。

7.申请国家发明专利20项以上。

8.建立高水平的iPS重编程与免疫研究实验室，培养博士生20人，硕士生40人，建立一支优秀学术人才队伍。

9.每年举办一次国际干细胞与再生医学论坛，促进国内外本领域交流，扩大本项目在研究领域影响，并及时发现项目进展过程中的问题、采用先进技术促成项目的完成。

三、研究方案

总体思路：

本研究将针对不同来源人iPS细胞的异同这一中心问题，通过全基因组甲基化测序，转录本测序，组蛋白分析等技术，建立其在表观遗传和转录水平的全景数据库，通过分析比较，回答不同来源iPS是否存在差异，这些差异与其来源组织是否有关系，并解释其可能的机理与意义；并关注解决重编程过程中免疫原性变化这一一直以来都被忽视的问题，通过对整个重编程包括诱导和分化过程中免疫原性变化的分析，全面的阐释这一问题，并对其机理进行探索；同时尝试解决疾病iPS临床应用必须解决的突变基因定点修复问题，通过SSO修复和锌指核酸酶技术探索修复?地中海贫血疾病常见突变位点：并结合分析比较的结果，为将来iPS技术临床应用必须解决的两个关键问题，如何安全高效获得iPS和iPS的高效定向分化，结合团队优势，分别探索建立安全高效的人iPS技术和iPS细胞向造血细胞的高效定向分化技术，为最终的临床治疗提供依据。 技术路线：

研究创新性：

1 通过不同来源人iPS表观和转录水平的异同比较课题的开展，将首次利用高通量的测序技术建立不同来源人iPS的表观和转录水平的全景数据库，为整个iPS乃至干细胞领域的研究提供全面的数据参考，同时根据比较分析发现的差异，寻找其产生和调控的机理，将可能为iPS细胞的临床应用提供筛选标准。 2 首次明确提出并证实iPS存在免疫原性并获得其发生的机制。不同组织与疾病来源的iPS细胞在重编程和再分化过程免疫原性全景分析不仅是实现iPS细胞移植安全进入临床治疗阶段所必须解决的重大科学问题，也是目前国内外研究尚未涉及的领域，该方面的研究具有重大的理论创新意义和临床应用价值。此外，基质微环境对iPS细胞在重编程和再分化过程的影响以及免疫原性变化的作用同样是国内外iPS细胞研究尚未涉及的领域，该方面的研究不仅为iPS细胞移植安全进入临床治疗阶段提供新思路和新方法，而且其理论方面的突破必将为肿瘤等重大疾病的发病基质和临床治疗提供新的理论依据。

3 通过对SSO单链寡核苷酸介导的基因修复技术的探索，及分别用SSO修复和

锌指核酸酶技术建立?地中海贫血疾病常见突变位点修复技术，首次提出使用安全性高的SSO技术在iPS细胞诱导过程中修复iPS细胞的基因突变，为点突变的遗传疾病治疗提供新的治疗手段；并借助iPS细胞诱导过程中表观遗传学的改变和iPS细胞的干细胞特性提高SSO的修复效率和解决SSO修复细胞后的增殖问题；并为?地中海贫血疾病的iPS临床治疗提供基础。

4 结合iPS细胞临床应用的关键问题：安全获得iPS和高效定向分化，本课题将结合自身在iPS技术方面的优势，改进并突破现有非病毒iPS诱导体系，建立安全高效的人iPS诱导技术；首次通过建立造血报告基因iPS细胞，建立筛选诱导造血分化化合物和支撑细胞，利用全新的体系建立全新人iPS造血分化技术。 研究特色：

国内外对于iPS研究热点领域主要有以下几个方面：对iPS机理的研究，细胞是通过怎样的过程，如何从成体细胞转变为iPS细胞，这其中有哪些关键问题：对于iPS技术改进的研究，包括更高效，更安全的重编程技术：对于iPS应用的研究，主要是利用iPS技术进行疾病模型研究，为将来的临床应用提供基础。而针对不同来源iPS同异和重编程过程中的免疫原性变化研究，这两个临床应用必须回答的问题，国际上并无系统研究的报道，申报团队在国内最早开始iPS研究，并在免疫学和基因定点修复方面有非常强的实力，对此问题的深入研究将取得重要的突破性进展。

在开展不同来源iPS表观和转录水平全景比较分析的同时，我们的研究从免疫学的角度对重编程过程中的免疫原性问题进行探索并建立新的理论体系。一方面按照遗传信息流由DNA-mRNA-蛋白质的顺序，从三个层面来研究表观遗传对iPS细胞免疫原性改变的影响；另一方面根据机体生物行为整体性的特点，从环境的角度研究基质微环境对iPS细胞在重编程和再分化过程的影响以及免疫原性变化的作用，并探索其具体调控机制。

国内外对基因修复的研究也非常广泛，我们将结合自身在SSO技术方面的优势，把iPS细胞作为SSO的修复对象，借助iPS细胞诱导过程中开放的染色质结构等表观遗传学状态的改变提高SSO的修复效率，使iPS细胞中点突变基因得到安全地修复，同时尝试利用国际上近期报道较多的锌指核酸酶技术首次建立?地中海贫血疾病常见突变位点的修复技术。 虽然国内外研究团队对iPS安全性的改进一直在努力，但先有的非病毒诱导体系都存在效率非常低的问题，我们将结合自身在机理研究中的发现，优化组合，建立安全高效的人iPS诱导方法，并通过建立一个全新的造血报告系统，筛选建立高效的人iPS向造血细胞分化平台，为最终的临床应用提供基础。

可行性分析：

1 立项依据充分：

目前对于iPS重编程的研究主要集中在如何高效建立重编程和重编程的机理上，虽然iPS技术不断得到改进，iPS技术的安全性也得到了很大的改善，小鼠iPS也通过四倍体实验证明了其与胚胎干细胞的相似性，但人iPS细胞在走向临床应用之前，尚有一系列必须得到回答的问题仍未有答案，这就是通过不同方法、不同组织细胞甚至是不同疾病患者来源获得的人iPS细胞，它们之间是否有区别，是否带有来源组织的表观遗传记忆？它们与人胚胎干细胞是否真的非常相似？它们在分化的时候是否因此会有区别？这种差异性是如何调控的？其确切的机制如何?对于以上问题的解答，将可能在iPS重编程机制研究方面取得重要的突破，为其应用提供理论基础。

同时iPS技术在应用到临床治疗之前，有四个关键问题需要解决：一是iPS进入机体会遭遇机体免疫系统对其的识别，即iPS必然存在免疫原性的问题（这也是以往被领域内忽视而最近开始有学者关注的问题），该问题会大大影响未来iPS临床应用的效果；第二个关键问题是如何高效安全获得iPS细胞，现有的技术仍然是高效与安全无法同时达到；第三个关键问题是得到iPS细胞后，如何实现向所需细胞的高效定向诱导分化；另一个关键问题是疾病患者来源的iPS在遗传基因方面存在的缺陷，在iPS重编程过程中仍然存在，如何有效修复这种缺陷，使将来应用到体内的iPS来源的细胞为正常细胞，这对于iPS的应用也极为关键。

2 具有良好的工作基础：

本课题的承担实验室包括中科院再生生物学重点实验室、医学免疫学国家重点实验室和医学分子生物学国家重点实验室，在国内最早开展iPS研究，建立了成熟的人iPS诱导体系，并已经建立多种组织和疾病来源的iPS细胞株；具有非常完善的免疫学研究手段和数十年的免疫学研究经验；在国内最早开始基因定点修复研究，能够很好的支撑整个项目的顺利实施。

3 具有有意义的预实验结果：

1） 已经完成脐带来源iPS细胞和H9胚胎干细胞的转录本测序，通过比较分析发现一系列差异基因，并发现这些差异基因很多可能与其组织来源相关。

2） 已经对整个造血系统不同类型细胞进行全面表观遗传分析，为本课题的开展提供有利的依据。

4 承担者具有完成项目的能力

项目负责人艾梅格(Miguel Esteban)博士在国外学习工作期间主要从事肿瘤和代谢方面研究，2007年底受聘为中科院广州生物医药与健康研究院全职研究员，结合自身研究经验在iPS研究方面取得突出成绩，相关论文发表在Cell Stem Cell等杂志；课题负责人韩岩梅博士是全国优秀博士学位论文获得者，在免疫学

研究方面做过大量工作，作为第一负责人在国内完成的工作在Blood发表；课题负责人黄粤教授从1997年以来一直从事实验小鼠动物模型和胚胎干细胞的研究工作，在包括Genome Research, PNAS, Circulation，JBC在内的国际学术期刊发表十几篇研究论文，有很好的工作基础；课题负责人蔡景蕾副研究员长期从事器官发生发育及再生领域的研究，2009年至今在中国科学院广州生物医药与健康研究院工作，主要从事诱导多能干细胞（iPS）的诱导与分化机制、牙齿发生发育再生的研究。此外，课题组骨干多是在一线工作的青年科技工作者。

5 承担单位具有完成项目的条件

依托单位中科院广州生物医药与健康研究院是国内率先开展iPS研究单位，并一致致力于iPS技术在我国的推广与普及。目前本依托单位十分重视本项目的申请和诱导多能干细胞（iPS）技术的疾病模型与机理研究方面的相关研究，并已提供了很好的前期工作条件，包括场地、设备、人员和经费支持等。本项目的承担单位具有高效的管理系统、专业的技术支撑系统、优秀的研究生生源。项目参加人员长期以来得到了国家科技部、中科院、自然科学基金委员会和地方政府等的大力支持，均能圆满完成科研任务。上述条件都将保证申请项目的顺利实施和完成。课题参加单位第二军医大学免疫学研究所和中国医学科学院基础医学研究所均为国家重点实验室，具备完成本项目课题的条件。

各课题间相互关系：

本研究将针对不同来源iPS细胞同异这一根本问题，首先在课题一中通过全基因组甲基化测序分析，转录本测序分析及组蛋白分析等技术，对不同来源的iPS细胞进行全景分析，系统的比较不同来源人iPS细胞之间的同异，并为其它课题和研究提供人iPS表观和转录水平全景的数据库。课题二通过对重编程过程中的免疫源性变化及不同组织来源iPS免疫源性区别进行全面的分析，与课题一中结果相验证，系统的分析重编程中免疫源性变化这一科学问题。这些问题的回答都为最终iPS技术的临床应用做准备。对于基因突变的遗传性疾病，如果应用iPS治疗，就要取其自身来源的体细胞诱导成为iPS，该细胞中仍然存在基因突变，这个突变的基因位点在治疗前必须被修复。SSO介导的基因定点修复和锌指核酸酶技术，具有明显的技术优势，本课题组前期的研究发现高度开放的染色质结构更有利于SSO与靶位点结合，募集修复蛋白。iPS细胞在诱导的过程中存在一个染色质结构重塑、某些基因发生重编程的特殊环境。因此结合课题一“不同组织与疾病来源iPS细胞全基因组表观遗传及转录本差异分析与机制研究”中的全基因组表观遗传的研究成果有望借助iPS细胞诱导过程中开放的染色质结构等表观遗传学状态的改变提高修复效率，修复后的疾病来源的iPS细胞尚需借助课题二“不同组织与疾病重编程过程中的免疫源性全景分析与机制研究”中建立的实验方法

和手段检测其免疫原性是否改变，是否可以用于回输患者体内而无免疫原性问题，借助课题四“基于多能性差异机制的安全高效重编程及造血细胞定向分化新技术探索”中建立的高效重编程和定向分化的新技术可以高效率的诱导分化修复后的iPS细胞向特定细胞分化，达到回输体内治疗遗传性疾病的目的。通过这四个课题的紧密有机合作为点突变遗传病患者的治疗提供新的治疗手段。 因此，本项目的四个课题本身具有密切的内在联系，课题一的完成将为课题二、三、四的完成奠定基础，课题二、课题三的完成也将可能为课题四提供新的思路，课题四的工作也可能为其他三个课题的完成提供新的方法并促进其他三个课题的完成。总之，这些课题紧紧围绕本项目拟解决的关键科学问题，有望在iPS研究方面取得进展乃至突破。

课题设臵：

课题1 ： 不同组织与疾病 来源iPS细胞全基因组表观遗传及转录本差异分析与机制研究 研究目标：

利用全基因组甲基化测序、转录本测序及组蛋白修饰分析技术，得到人iPS表观和转录水平全景图，确定不同来源iPS和胚胎干细胞之间是否存在差异，这些差异是否带有其来源组织记忆，这些差异存在的机理及意义是什么，为指导iPS细胞的临床应用并为其它iPS研究提供分析依据，使我国在这一研究领域在国际上产生重要影响。 研究内容：

1 对不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞全基因组甲基化分析。通过收集提取通过标准统一方法建立的不同组织来源，如胎盘、脐带、皮肤等的iPS及其来源细胞，及胚胎干细胞系H1、H9 基因组DNA。提取的DNA质量检测合格后进行重硫酸盐处理。处理后的DNA利用Solexa测序仪进行测序，对所获得的数据进行分析，比较不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞全基因组甲基化信息同异。对寻找到的关键基因进行重硫酸盐测序法验证。

2 对不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞全基因组转录本分析。收集提取实验室已建立的不同组织来源，如胎盘、脐带、皮肤来源iPS及其来源细胞，胚胎干细胞系H1、H9 RNA。将提取的RNA质量检测合格后进行转录成cDNA。将获得的cDNA利用Solexa测序仪进行测序。对所获得的数据进行分析，比较不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞全基因组转录本同异。对寻找到的关键基因进行实时定量PCR测序。

3 对不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞组蛋白修饰分析。 利用不同抗体，用免疫共沉淀技术将不同组蛋白修饰的DNA片段拉下来，利用Solexa测序仪

进行测序。

4 综合分析用以上三种方法获得的数据，绘出iPS细胞与胚胎干细胞相比的表观和转录水平全景图，对不同来源iPS及其来源细胞、胚胎干细胞进行转录和表观遗传水平进行全景分析，比较其同异。

经费比例： 35%

承担单位： 中国科学院广州生物医药与健康研究院、中国科学院北京基因组研究所、南方医科大学

课题负责人： Miguel Esteban

学术骨干： 吴佳妍、钟梅、赵东宇、徐建勇

课题2 ： 不同组织与疾病重编程过程中的免疫源性全景分析与机制研究 研究目标：

通过研究iPS细胞在再分化过程免疫原性的变化以及在蛋白和基因水平检测影响iPS细胞免疫原性的关键因素，完成iPS细胞的免疫原性全景分析；研究基质微环境在iPS细胞诱导形成以及再分化阶段的影响，研究如何诱导机体不同的免疫细胞转化为iPS细胞的方法，从中筛选出最安全和最高效的优化方案。 研究内容：

iPS细胞免疫原性全景分析, iPS细胞来源和基质微环境对iPS细胞转化率，免疫原性和致瘤率的影响及相关机制研究

1 诱导制备不同成体细胞来源的iPS细胞,特别是免疫细胞来源,建立iPS细胞库;设计不同的体内和体外实验环境诱导iPS细胞再分化。

2 iPS细胞免疫原性全景分析：监测不同成体细胞来源的iPS细胞以及iPS细胞在再分化过程免疫原性的变化，通过蛋白表达谱分析和表观遗传学分析在蛋白和基因不同水平检测影响iPS细胞免疫原性的关键因素，并在此基础上进一步研究免疫干预方法。

3 iPS细胞来源对iPS细胞转化率，免疫原性和致瘤率的影响及相关机制研究：研究诱导机体不同的免疫细胞转化为iPS细胞的方法，以及不同iPS细胞来源对iPS细胞转化率，免疫原性和致瘤率的影响及相关机制，从中筛选出最安全和最高效的优化方案。

4 基质微环境对iPS细胞转化率，免疫原性和致瘤率的影响及相关机制研究：利用实验室已有的基质细胞株模拟基质微环境，探索基质微环境存在与否对iPS细胞转化率的影响，并通过已有的研究平台检测基质微环境对iPS细胞免疫原性，致瘤率以及再分化的影响，并深入研究其相关机制。

5 研究肿瘤基质微环境对iPS细胞诱导和再分化的影响，探索肿瘤干细胞的

形成与肿瘤基质微环境的相关性：建立肿瘤基质微环境体外研究平台，研究其对对iPS细胞诱导和再分化的影响，并在此基础上建立肿瘤干细胞产生的模拟体系，探索肿瘤形成的细胞机制，为肿瘤病因学研究和肿瘤治疗奠定基础。

经费比例： 30%

承担单位： 中国人民解放军第二军医大学、中国科学院广州生物医药与健康研究院

课题负责人： 韩岩梅

学术骨干： 秦大江、郭振红、钱程、苏小平

课题3 ：疾病来源iPS的表观调控与突变基因定点修复研究 研究目标：

借助iPS细胞诱导过程中表观遗传学的改变和iPS细胞的干细胞特性提高SSO的修复效率和解决SSO修复细胞后的增殖问题，同时利用SSO和锌指核酸酶技术建立?地中海贫血iPS常见突变位点修复技术，最终为点突变遗传性疾病的治疗提供理论依据和实验基础。 研究内容：

I SSO修复技术验证模型建立和?地中海贫血iPS常见突变位点修复 1、建立哺乳动物细胞荧光报告系统：

构建了带有突变的EGFP质粒载体（mEGFP），该载体模拟了地中海贫血基因突变类型中的起始密码突变，将EGFP的启动子ATG突变为TTG，因此不能表达绿色荧光蛋白。以EGFP作为检测标志，模拟引起地中海贫血的点突变，包括剪接位点突变、无义突变、加尾信号突变等基因突变类型构建报告基因载体。构建含有这些突变类型报告基因的转基因小鼠，这些小鼠的体细胞具有突变的EGFP，因此不表达绿色荧光蛋白。

2、验证重编程过程中利用SSO技术修复基因

构建转基因小鼠后，取具有点突变mGFP的成纤维细胞培养，选择合适的条件诱导其为iPS细胞。在诱导过程中加入SSO，在重编程的过程中用SSO更为有效得修复EGFP的突变位点，并进一步对iPS的形成和靶向性修复进行不同层次的鉴定。

3 把iPS细胞作为SSO的修复对象，利用iPS细胞具有干细胞的特性，使修复后的细胞能够有效增殖。本课题构建转基因小鼠后，取具有点突变mGFP的成纤维细胞培养，选择合适的条件诱导其为iPS细胞。同时在诱导过程中加入SSO修复突变基因，观察修复后iPS细胞的增殖情况。

4 在上述工作的基础上尝试修复疾病来源的iPS细胞中的突变基因，例如修复地中海贫血患者来源的iPS细胞中的基因突变，并尝试对修复后细胞的增殖和诱导分化。

II 锌指核酸酶技术修复?地中海贫血iPS常见突变位点

1 针对beta－地中海贫血特定突变位点锌指文库的设计组装与在细菌双杂交系统中的筛选。

2 构建含有beta－地中海贫血突变位点的细胞筛选平台，并利用该平台确定锌指核酸酶在人培养细胞中的有效性和特异性。转染锌指核酸酶表达质粒和供体质粒到含有突变位点的稳定细胞株，通过观察和流式分析绿色荧光蛋白表达细胞的比例即可判定锌指核酸酶的有效性，通过分析细胞凋亡的比例即可判定锌指核酸酶作用的特异性和细胞毒性。转染锌指核酸酶表达质粒和供体质粒到含有正常位点的稳定细胞株，通过观察是否有绿色荧光蛋白表达的细胞来判定所选锌指不识别正常的beta－球蛋白基因序列，进而确定特异识别相应突变位点的锌指核酸酶。

3 使用锌指核酸酶对beta-地中海贫血患者iPS细胞中突变等位基因进行原位矫正。

对本实验室已有的beta-地中海贫血患者iPS细胞进行扩增培养。利用PCR方法扩增得到不含任何突变的beta-珠蛋白基因供体DNA（donor DNA）片段，并将该DNA片段插入到T载体，得到的T-DonorDNA质粒进行测序鉴定。序列正确的质粒克隆需要通过质粒大量制备，准备用于细胞内原位重组。

对T-DonorDNA进行线性化处理以提高基因修复的效率，并同时可以去除载体骨架部分。将第二部分筛选的锌指组合与线性化供体DNA通过高效的Amaxa核转染仪转染到患者来源的iPS细胞。 3.5通过有限稀释法筛选iPS单克隆，然后通过PCR测序方法和突变检测试剂盒筛选鉴定已经纠正的iPS细胞克隆。对筛选的iPS细胞基因组的稳定性进行鉴定。包括：核型分析，实验所用质粒的非特异性插入。对筛选的iPS细胞进行多能性鉴定，包括：PCR鉴定内源性标记基因的表达，分化能力的鉴定。

经费比例： 20%

承担单位： 中国医学科学院基础医学研究所、中国科学院广州生物医药与健康研究院

课题负责人： 黄粤

学术骨干： 吕湘、李峰、董文吉、陈峰

课题4 ：基于多能性差异机制的安全高效重编程及造血细胞定向分化新技术探

索 研究目标：

改进非病毒体系人iPS诱导技术，结合附加体、蛋白及小分子化合物，探索出安全高效诱导体系；通过建立带造血报告基因iPS细胞系，筛选不同促进造血分化化合物及支撑细胞，建立高效造血分化新技术，为iPS技术最终临床应用提供基础。 研究内容：

1 建立高效安全人iPS诱导技术。通过启动子优化，诱导因子优化等方法，改进附加体诱导技术，同时探索通过改进蛋白递送胎优化蛋白诱导iPS，同时结合表观遗传等分析结果，筛选能够提高iPS效率或替代因子小分子化合物，以上探索结果相结合最终建立高效安全的人iPS诱导体系。

1.1新型的附加体iPS诱导系统。 附加体质粒可以在真核细胞中复制，并且其非整合特性预示着它将是安全的诱导系统之一。

1.2 蛋白iPS诱导系统。 直接向细胞内递送蛋白形式的外源诱导因子是最为理想与安全的iPS诱导方式。文献报道蛋白形式iPS诱导系统的效率比较低，这主要与蛋白递送肽的性质和效率有关。本研究将开发新的一系列蛋白递送肽来提高iPS的效率。

1.3 筛选具有提高iPS诱导效率的小分子化合物。 诱导已分化细胞逆转成为多能性干细胞需要关闭细胞的多个信号通路，目前有多个抑制信号通路的化合物。

1.4 建立高效安全人iPS体系。

2 建立高效人iPS造血分化技术。首先建立带有造血报告基因iPS细胞系，并以此筛选能够促进造血分化的小分子化合物或者支撑细胞，最终建立高效的人iPS造血分化平台。

2.1 构建带有造血发育标记的ips细胞系 利用锌指蛋白酶技术，在iPS或胚胎干细胞细胞系造血Marker，如CD34等启动子后加入GFP报告基因，因此可以动态的观测分化的过程。

2.2 利用造血报告细胞系筛选小分子化合物 利用带有报告基因的iPS或胚胎干细胞系，筛选能够促进造血分化的细胞系。

2.3 利用造血报告细胞系筛选高效支持细胞 分离不同时期流产胎儿骨髓细胞，利用带有报告基因iPS或胚胎干细胞共培养，筛选出能高效诱导造血分化的支持细胞系。

2.4 建立高效诱导造血技术 结合筛选出的小分子化合物与支持细胞，建立高效诱导iPS或胚胎干细胞向造血分化技术。通过移植免疫缺陷鼠，检测获得的造血细胞功能。

经费比例： 15%

承担单位： 中国科学院广州生物医药与健康研究院、中山大学附属第三医院

课题负责人： 蔡景蕾

学术骨干： 蔡道章、陈燊、甘燚

四、年度计划

2011年1月-12月

研究内容：

1 收集不同组织来源iPS细胞，收集其DNA、RNA等，通过高通量测序进行转录本和表观遗传分析。

2 利用流式分选仪器分别纯化小鼠和人的各种免疫细胞群，分别诱导制备不同成体细胞来源的iPS细胞。

3 培养小鼠和人的基质细胞并建株，设计不同的体内和体外实验环境诱导iPS细胞再分化。

4 建立哺乳动物细胞荧光报告系统，并在细胞水平验证载体构建是否正确。 5 针对地中海贫血特定突变位点锌指文库的设计组装与在细菌双杂交系统中的筛选。

6 优化附加体基因导入系统，开发新的蛋白递送肽，同时筛选像Vc一样具有提高iPS诱导效率的小分子化合物。

7 收集不同时期的骨髓细胞，以备后期建立iPS细胞造血分化新方法使用。

预期目标：

1 完成2株iPS细胞的全基因组甲基化测序。 2 完成10~15株iPS细胞转录本测序。

3 建立小鼠和人不同免疫细胞来源地iPS细胞库。 4 建立小鼠和人不同组织的基质细胞库。 5 建立诱导iPS细胞再分化的体外模拟体系。

6 构建模拟引起地中海贫血的点突变，通过酶切鉴定，测序以及在细胞水平确认构建的绿色荧光报告基因系统是否构建正确。

7 获得非病毒系统iPS细胞并收集获取不同时期的骨髓细胞以备后期建立造血分化平台。

2012年1月-12月

研究内容：

1 扩大不同方法和疾病来源iPS细胞收集，如非病毒系统获得iPS细胞，通过高通量测序与单基因分析方法进行转录本和表观遗传分析。

2 利用全基因分析高通量检测不同成体细胞来源的iPS细胞以及iPS细胞在再分化过程免疫原性的变化

3 通过蛋白表达谱分析和表观遗传学分析在蛋白和基因不同水平检测影响iPS细胞免疫原性的关键因素

4 构建含地中海贫血突变类型报告基因的转基因小鼠。

5 构建含有地中海贫血突变位点的细胞筛选平台，并利用该平台确定锌指核酸酶在人培养细胞中的有效性和特异性。

6 利用已经成功建立的化合物等优化非病毒iPS系统诱导获得iPS细胞 7 过锌指蛋白酶技术，构建带有造血发育标记并可进行动态观测分化的iPS细胞系。

预期目标：

1 完成10~15株iPS细胞转录本测序，获得数据分析比对。 2 寻找到2-5个关键影响不同iPS差异的因子。

3 完成不同成体细胞来源的iPS细胞在诱导以及再分化过程免疫原性变化的基因和蛋白水平的全景分析

4 明确3-5个影响iPS细胞在诱导以及再分化过程免疫原性变化的关键性转录因子和分子。

5 得到含有突变类型报告基因的转基因小鼠，并通过PCR等技术对构建的转基因小鼠进行鉴定。

6 确定锌指核酸酶在人培养细胞中的有效性和特异性并排除其细胞毒性。 7 构建带有造血发育标记并可进行动态观测分化的iPS细胞系并以此筛选最适宜促进造血分化的骨髓细胞（时期）。

2013年1月-12月

研究内容：

1 汇总综合不同来源iPS数据，利用重硫酸盐测序等方法进行验证。 2 结合项目总体进展，补充部分必要iPS细胞数据。

3 研究诱导机体不同的免疫细胞转化为iPS细胞的方法，免疫原性和致瘤率的影响及相关机制。

4 验证重编程过程中利用SSO技术修复基因。

5 使用锌指核酸酶对地中海贫血患者iPS细胞中突变等位基因进行原位矫正。

6 进一步优化稳定高效的非病毒iPS诱导系统

7 利用带有报告基因的iPS或胚胎干细胞系以及筛选获得高效支持细胞（骨髓细胞）共培养，通过加入造血相关的各因子诱导造血分化，

预期目标：

1 分析得到关键因子5~10个进行深入研究其作用机理

2 筛选出诱导机体不同的免疫细胞转化为iPS细胞安全和高效的优化方案。 3 发现在iPS细胞诱导的过程中染色质结构重塑、某些基因发生重编程的特殊环境下对SSO介导的基因定点修复效率的影响。

4 初步建立iPS细胞造血分化新方法。

2014年1月-12月

研究内容：

1 根据不同来源iPS异同关键因子分析，分析新方法获得iPS特点，研究分化后获得细胞特点。

2 利用已建株的基质细胞模拟基质微环境，研究基质微环境存在与否对iPS细胞转化率的影响，并通过已有的研究平台检测基质微环境对iPS细胞免疫原性，致瘤率以及再分化的影响，并深入研究其相关机制；

3 取具有点突变mGFP的转基因小鼠成纤维细胞，在诱导过程中加入SSO修复突变基因，观察修复后iPS细胞的增殖情况，在上述工作的基础上尝试修复疾病来源的iPS细胞中的突变基因。

4 将筛选的锌指核酸酶修复患者来源的iPS细胞。

5 在非病毒iPS诱导系统的基础上，探索无动物源性的培养基条件，同时探索在无滋养层细胞条件下iPS诱导系统的建立。

6 进一步探索提高iPS细胞造血分化效率的新方法。

预期目标：

1 初步建立不同来源iPS全景网络图。

2 确认3-5个不同来源iPS差异关键因子，展开其功能研究。 3 完成基质微环境中iPS细胞诱导以及再分化研究的体外模拟体系 4 完成基质微环境对iPS细胞诱导以及再分化过程免疫原性影响的机制研究。

5 确认iPS重编程过程对SSO修复后的细胞增殖影响。

6 得出检测锌指核酸酶的修复突变效率，与SSO介导的修复效率比较优劣。 7 建立无动物源性的iPS诱导系统，同时提高iPS细胞造血分化效率。

2015年1月-8月

研究内容：

1 根据数据分析与关键因子功能研究，回馈到重编程过程，深入探讨其作用

机理。

2 利用已建株的基质细胞模拟肿瘤基质微环境，研究其对iPS细胞诱导和再分化的影响。

3 SSO修复后，对iPS的多能性和靶向性修复进行不同层次的鉴定。 4 对筛选的锌核酸酶修复后iPS细胞基因组的稳定性及多能性进行鉴定。 5 将各种iPS诱导系统进行综合优化，确立高效稳定、无动物源性非病毒的最优iPS诱导系统，并在该基础上建立高效的iPS细胞造血分化新方法。

预期目标：

1 完成不同来源iPS细胞全景分析，系统分析其异同的影响机理，并对其中期关键作用2-5个因子作用机理深入阐述

2 建立肿瘤基质微环境体外研究平台和肿瘤干细胞产生的模拟体系，探索肿瘤形成的细胞机制。

3 成功增殖和诱导分化修复后疾病来源的iPS细胞。

4 确立高效稳定、无动物源性非病毒的最优iPS诱导系统，并建成高效造血分化新方法。

一、研究内容

拟解决的关键科学问题：

iPS的研究和应用将可能在多种影响人类健康的重大遗传疾病包括?地中海贫血等的治疗方面带来重大突破，具有重大理论和应用价值。本项目所针对的下述关键科学问题的解决也将可能为iPS的应用提供理论基础。

1.通过不同方法、不同细胞（甚至是不同疾病患者）来源获得的人iPS细胞，它们之间是否有区别，是否带有来源组织的表观遗传记忆？它们与人胚胎干细胞是否真的非常相似？它们在分化的时候是否因此会有区别？这种差异性是如何调控的？其确切的机制如何?对于以上问题的解答，将可能使我们能够更加清晰，更加精确的了解iPS，为将来iPS的临床应用提供选择标准，如何选择，选择怎样的iPS细胞应用于哪一特定方面，并同时为iPS研究提供一个不同来源iPS细胞表观和转录水平的全景信息库。

2.iPS重编程过程中，是否会带来其免疫原性的改变？其机制如何？这种改变是否会影响其在体内的应用？针对这种改变，如何有效的通过免疫调控提高其使用的效率？该问题的解决将可克服iPS在体内应用时必然遭遇的难关，提高其治疗效果并减少其应用带来的问题。

3．遗传疾病来源的iPS细胞，其本身仍然带有自身的突变基因，应用它来治疗本身的疾病，必须要将突变基因进行修复，如何高效的达到突变基因的定点修复具有非常重要的应用价值。

4. iPS技术最终要应用到临床，有两个关键技术问题必须解决，一个是如何安全高效的获得iPS细胞，另一个是如何将iPS细胞安全高效的定向诱导为为所需的细胞。

主要研究内容：

1．不同来源iPS细胞异同比较方面：通过分别收集不同来源iPS细胞和其来源细胞及胚胎干细胞，利用全基因组甲基化测序技术、组蛋白修饰检测和转录本测序技术，建立其表观和转录水平全景信息库，并通过比较分析，确定不同来源iPS和胚胎干细胞之间是否存在差异，这些差异是否带有其来源组织记忆，这些差异存在的机理及意义是什么，指导iPS细胞的临床应用并为其它iPS研究提供分析依据。

2．在iPS细胞免疫原性全景分析和基质微环境方面：监测不同组织与疾病来源的iPS细胞在重编程和再分化过程免疫原性的变化，通过蛋白表达谱分析和

表观遗传学分析在蛋白和基因不同水平检测影响iPS细胞免疫原性的关键因素，并在此基础上进一步研究免疫干预方法；研究基质微环境在iPS细胞诱导形成以及再分化阶段的影响，并探索其潜在机制，以达到提高iPS细胞诱导成功率以及促进其定向再分化并安全应用于临床治疗；研究如何诱导机体不同的免疫细胞转化为iPS细胞的方法，以期从中筛选出最安全和最高效的优化方案，同时通过机制研究深入探索成熟免疫细胞，造血干细胞，iPS细胞以及肿瘤干细胞之间的相互关系，转化的可能性和相关机制。

3．在疾病iPS细胞突变基因定点修复方面：遗传疾病来源的iPS细胞最终应用的临床，必须首先修复其携带的突变基因。血液系统遗传疾病可能是iPS临床移植治疗能够被最先应用的领域，本课题将在探索利用单链寡核苷酸介导的靶向性基因定点修复技术的同时，利用SSO修复和锌指核酸酶技术，分别探索建立?地中海贫血疾病常见突变位点的修复技术，为将来临床应用提供基础。

4．在建立高效安全人iPS技术和iPS细胞高效向造血定向分化方面：探索iPS技术应用到临床所必须解决的两个关键问题：首先要获得安全高效的iPS，然后能够诱导其高效定向分化。本研究团队在iPS诱导技术方面已经有丰富的经验，将结合不同iPS比较研究的结果，结合优化转作子、优化蛋白导入系统和小分子化合物，最终建立安全高效的iPS技术；并通过建立带有造血报告基因的iPS细胞系，筛选能够促进造血分化的小分化合物和支撑细胞，最终建立高效的人iPS细胞想造血分化新技术，为最终的临床应用打下基础。

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