Nature Genetics

hPS细胞在生物医学研究中的应用

多潜能干细胞的种类与特点

人类多潜能干细胞（hPS细胞）包括两种主要类型：胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells，ESCs）和诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells，iPSCs）。ESCs来源于早期胚胎内细胞团，具有自我更新和分化成任何体细胞类型的能力。而iPSCs则通过体细胞重编程技术产生，通过在体细胞中强制表达多能性转录因子如OCT3/4、SOX2、KLF4和MYC，使其恢复到多能状态。

iPSCs与ESCs在基因表达谱和表观遗传状态上高度相似，具备几乎相同的多能性特征。这意味着iPSCs能够在体外分化成各种类型的体细胞，包括神经细胞、心肌细胞、肝细胞等。因此，hPS细胞被广泛用于模拟人类发育过程、研究疾病机制和筛选潜在药物。

体细胞重编程与iPSCs生成

iPSCs的生成过程通常包括以下几个步骤：

体细胞选择：从供体身上获取体细胞样本，例如皮肤成纤维细胞或血细胞。

转基因导入：利用病毒载体或其他方法，将多能性转录因子基因（如OCT3/4、SOX2、KLF4和MYC）导入体细胞中。

多能性诱导：在特定培养条件下，通过多能性转录因子的表达，使体细胞重新编程为多能状态，形成iPSCs。

iPSCs筛选和扩增：从培养中筛选出成功重编程的细胞群体，进一步扩增以供研究使用。

hPS细胞在遗传研究中的应用

由于hPS细胞包含供体的完整遗传信息，研究人员可以利用这些细胞研究遗传变异如何影响人类表型。例如，通过将来自不同个体的iPSCs进行分化，观察不同基因型对细胞发育和功能的影响，可以深入理解疾病的遗传基础和个体差异。

疾病模型的构建

hPS细胞特别适用于构建各种疾病的体外模型，尤其是那些难以在体内直接研究的疾病。例如，研究人员可以通过将hPS细胞分化成神经细胞来研究神经退行性疾病如或的病理机制。此外，利用iPSCs生成心肌细胞，可以研究心脏病的发病机制，并筛选潜在的治疗药物。

药物筛选与毒性测试

hPS细胞在药物筛选和毒性测试中也发挥着重要作用。通过将hPS细胞分化为特定的目标细胞类型，如肝细胞或心肌细胞，研究人员可以在体外评估新药的疗效和安全性。例如，通过测试药物在iPSCs衍生的心肌细胞中的作用，可以预测药物对心脏的潜在毒性，减少临床试验中的风险。

帕金森病（Parkinson s Disease）中的应用

帕金森病是一种复杂的神经退行性疾病，其病因涉及多种遗传和环境因素。研究人员利用iPSCs从帕金森病患者的体细胞生成多能干细胞，再将其分化为多巴胺能神经元，通过观察这些神经元的功能缺陷和基因表达变化，揭示帕金森病的病理机制。例如，通过基因编辑技术修正患者iPSCs中的特定突变基因，可以进一步验证这些基因在疾病中的作用，并探索潜在的基因疗法。

心脏病（Cardiovascular Disease）中的应用

心脏病是另一类常见的复杂疾病，其风险因素包括多种基因变异和生活方式因素。研究人员利用来自不同个体的iPSCs生成心肌细胞，通过比较不同基因型对心肌细胞功能的影响，发现某些基因变异可能会增加心脏病的风险。此外，利用这些心肌细胞进行药物筛选，可以识别对特定基因型患者最有效的药物，提高个体化治疗的效果。

人类多潜能干细胞（hPS）细胞系池的实验设计（Credit:Nature Genetics）

复杂疾病的研究现状

hPS细胞在罕见疾病研究中的应用

hPS细胞，特别是iPSCs，已经在研究罕见遗传疾病中发挥了重要作用。这些疾病通常由少数基因突变引起，这些突变通常位于编码蛋白质的基因区域内。例如，Duchenne型肌症（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD）是一种由DMD基因突变引起的遗传疾病，通过从患者体细胞中生成iPSCs并将其分化为肌肉细胞，研究人员可以观察这些细胞的功能缺陷，从而深入理解疾病的分子机制。此外，通过基因编辑技术，如CRISPR-Cas9，研究人员还可以修复这些突变，从而验证其在疾病中的作用，并探索潜在的基因疗法。

复杂疾病的挑战

与罕见疾病不同，复杂疾病的风险因素更加多样，涉及多种遗传变异和环境因素。例如，帕金森病、青光眼和心疾病等复杂疾病的风险并非由单一基因突变决定，而是由许多基因变异的累积效应和环境因素共同作用。全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies, ）已经识别出许多与这些复杂疾病相关的基因位点，但超过90%的位点位于基因间区域，这些区域通常不编码蛋白质，而是通过调控基因表达来发挥作用。

群体规模的hPS细胞研究

为了更好地理解复杂疾病的遗传机制，研究人员正在利用群体规模的hPS细胞研究。这些研究涉及从大量个体中生成iPSCs，并对其进行基因组测序和分子表型分析。通过这种方法，研究人员可以探讨遗传变异在不同细胞类型和发育阶段中的作用。

研究人员利用来自不同帕金森病患者和健康个体的iPSCs，生成多巴胺能神经元，通过比较这些神经元的功能和基因表达，揭示疾病相关基因的作用。例如，LRRK2基因的突变被认为是帕金森病的重要风险因素，通过iPSCs模型，研究人员发现该基因的突变会导致多巴胺能神经元的功能异常，从而增加帕金森病的风险。

通过将来自不同个体的iPSCs分化为心肌细胞，研究人员可以观察不同基因型对心肌细胞功能的影响。例如，通过研究某些基因变异如何影响心肌细胞对药物的反应，研究人员可以开发出更个性化的治疗方案。此外，通过比较不同个体的iPSCs心肌细胞，研究人员还发现了一些新的心风险基因，例如PCSK9基因的变异与高水平和心血管疾病风险增加相关。

动态QTLs：识别特定状态下的遗传效应

动态表达数量性状位点（dynamic expression quantitative trait loci，动态eQTLs）是研究遗传效应在不同细胞状态（如药物暴露）下如何变化的方法。与传统QTL研究不同，传统QTL研究通常测试特定情况下的 静态 遗传效应，而动态QTL模型能够增加分辨率，识别隐藏的效应。例如，一个遗传效应可能只有在细胞暴露于药物时才存在 。

动态QTLs的应用

动态QTLs特别适用于检测在特定细胞状态下（如分化过程中）出现的瞬态效应。通过在多个时间点采样细胞并使用动态QTL模型，可以识别遗传效应如何随细胞发育谱系变化。例如，在hPS细胞分化过程中采样细胞并应用动态QTL模型，可以揭示基因组表型在细胞发育不同阶段的遗传效应 。

心肌细胞分化中的动态QTLs

在心肌细胞分化过程中，研究人员利用单细胞RNA测序技术揭示了动态基因调控。例如，研究发现rs11124033对FHL2基因表达的效应在心肌细胞分化过程中呈现线性变化，而rs28818910对C15orf39基因表达的效应则表现出非线性变化。这些发现揭示了遗传变异在细胞状态转变过程中对基因表达的不同影响 。

内胚层分化中的动态QTLs

在内胚层分化过程中，THUMPD1基因的表达水平随着细胞状态的变化而变化。具体来说，当细胞处于多能状态时，THUMPD1的表达水平较高且存在显著的等位基因效应（标记为eSNP rs76148084[G/A]）。然而，当细胞向内胚层状态分化时，THUMPD1的整体表达水平下降，等位基因效应也随之减弱。另一个例子是VAT1L基因的表达在中胚层发育阶段表现出差异等位基因效应（标记为eSNP rs7191422[T/A]），这种效应仅在细胞处于中间发育阶段时观察到，表明携带T等位基因的个体在发育过程中表达水平下降更快 。

动态QTLs的优势

动态QTLs方法提供了研究基因型（G）和细胞状态（C）相互作用（G C）的工具，这些细胞状态可以是暴露于刺激物或药物。通过结合单细胞测序数据，动态QTLs可以在连续的细胞状态轨迹中测试，如细胞分化过程中，每个细胞即使同时采集也会处于稍微不同的状态（例如，细胞成熟度）。这种方法的优势在于能够更精确地放置细胞在细胞状态景观中，从而改善动态遗传效应的检测 。

目前，识别动态QTLs的方法刚刚兴起，结果表明这些位点通常位于未知调控注释的区域。这些位点可能在发育轨迹的相关中间时间点上具有之前未被认识到的调控效应，未来可以通过进一步的功能验证来表征。hPS细胞实验的规模将从数十条细胞系扩大到数千条细胞系，且对总体成本和实验设计的影响较小。随着hPS细胞、群体遗传学方法和细胞基因组学的交叉融合，期待这些研究能够为人类基因组学的发现和转化提供宝贵工具 。

单细胞基因组学的优势

提高分辨率

单细胞测序技术相对于传统的 批量 方法具有明显的优势，能够提高检测人类遗传变异对表型影响的分辨率。传统的批量方法在研究中测量的是细胞群体的平均表型，而单细胞测序技术则能够对个体细胞进行分析，从而揭示细胞之间的异质性和潜在的遗传变异效应。

个体细胞分析

单细胞测序的进步使得研究人员能够对个体细胞在异质细胞群中的读数进行研究和表征。这种方法允许研究人员更深入地理解细胞群体内部的异质性，特别是在谱系分化和三维类器官模型等复杂细胞系统中。

谱系分化中的单细胞基因组学

在hPS细胞谱系分化过程中，单细胞基因组学的应用使得研究人员能够跟踪单个细胞的表型变化。通过分析单个细胞的基因表达和表型，可以了解细胞在分化过程中的转录动态，揭示基因表达调控网络的复杂性。

三维类器官模型中的单细胞基因组学

在构建三维类器官模型时，单细胞基因组学的应用使得研究人员能够对组织内部不同细胞类型的分布和功能进行详细研究。通过分析单个细胞的基因表达和表型，可以识别组织中不同细胞群体的特征，并揭示其在组织功能中的作用。

随着单细胞测序技术的不断发展和完善，可以预见，单细胞基因组学在生物医学研究中的应用将会越来越广泛。未来，可以利用单细胞技术更加全面地理解细胞的功能和调控机制，从而为疾病的和治疗提供更加和有效的方法。

将遗传学和干细胞整合用于药理基因组学和药物开发

遗传变异对药物反应的影响

遗传变异在患者对治疗药物的反应中起着关键作用。已有研究表明，具有遗传证据支持的药物疗法成功推向市场的可能性是其他疗法的两倍。这意味着了解患者的遗传背景可以帮助医生更好地选择治疗方案，并最大程度地提高治疗的有效性和安全性。

hPS细胞在药物开发中的应用

临床前药物开发阶段

hPS细胞及其衍生的细胞，包括组织和类器官系统，已经被广泛用于临床前药物开发阶段。通过利用不同类型的hPS细胞，研究人员可以模拟人体内不同组织的反应，从而评估药物的疗效和毒性。例如，通过将药物暴露于hPS细胞衍生的心肌细胞中，可以评估药物对心脏功能的影响；而将药物暴露于肝脏组织模型中，则可以评估其代谢和毒性效应。

区分有希望的化合物和可能失败的化合物

利用hPS细胞模型，研究人员可以区分有希望的化合物和可能在临床试验中失败的化合物。通过评估药物在不同细胞类型中的效应，研究人员可以更准确地预测其在患者身上的效果。这有助于筛选出最有前景的药物候选物，并在早期阶段排除潜在的失败者，从而节省时间和资源。

检测细胞毒性效应

除了评估药物的疗效外，hPS细胞模型还可以用于检测药物的细胞毒性效应。通过暴露hPS细胞或其衍生的细胞模型于候选药物，研究人员可以评估药物对细胞生存和功能的影响。这有助于发现潜在的毒性效应，并在临床试验之前进行及时干预和调整。

心脏病药物开发中的应用

在心脏病药物开发中，利用hPS细胞模型可以评估候选药物对心脏功能的影响。通过将药物暴露于hPS细胞衍生的心肌细胞中，可以评估其对心肌收缩和舒张的影响，从而预测药物对心脏的疗效和安全性。

肝脏毒性筛选中的应用

在药物开发过程中，肝脏毒性是一个常见的问题。利用hPS细胞衍生的肝细胞模型，研究人员可以评估候选药物对肝脏功能的影响，从而预测其潜在的肝毒性效应，并及早发现和解决这些问题。

随着对hPS细胞的研究不断深入，可以预见其在药物开发中的应用将会越来越广泛。未来，随着技术的不断进步，可以期待更加精确和高效的药物开发过程，为患者提供更安全、更有效的治疗方案。

hPS细胞实验的挑战

细胞类型成熟度和精确细胞注释

在单细胞hPS细胞基因组研究中，正确分类和量化细胞状态至关重要。然而，hPS细胞具有多种分化潜能，因此在分化过程中可能存在多种细胞类型的混合。为了克服这一挑战，研究人员需要开发更精确的细胞分类方法，并结合单细胞转录组学数据进行细胞状态的准确注释。

多样性和可扩展性

hPS细胞的多样性和可扩展性是进行群体基因组学研究时需要考虑的重要因素。由于个体之间的遗传差异和细胞分化的不确定性，研究人员需要确保在实验设计中考虑到这些因素，以确保结果的可靠性和泛化能力。

扩大实验规模的挑战

技术稳定性的影响

在扩大hPS细胞实验规模时，技术稳定性（如批次效应）可能会对实验结果产生影响。为了减少这种影响，研究人员需要采取措施来标准化实验流程和条件，并使用统一的质量控制标准来确保数据的可比性和可靠性。

hPS细胞池的设计

为了克服技术变异的影响，并在不增加时间和成本的情况下包含更多细胞系，研究人员提出了使用hPS细胞池的方法。这种方法涉及在一个培养皿中同时培养和分化多个hPS细胞系，从而减少实验之间的技术变异，并提高实验的可重复性和可比性。

hPS细胞作为一种细胞模型，在评估人类遗传变异对不同谱系、发育状态和细胞类型的影响方面显示出巨大的潜力。这些细胞模型提供了方便、可扩展的平台进行实验验证，特别是在人类发育过程中再现人类的细胞模型。尽管hPS细胞的维护和分化在实验时间和成本上有限制，但技术进步使得使用hPS细胞模型进行群体基因组学研究成为可能。

为了准确确定遗传变异如何影响细胞功能，需要测试基因型-细胞状态（genotype-by-context，G C）相互作用的方法。预计，hPS细胞实验的规模将从数十条细胞系扩大到数千条细胞系，且对总体成本和实验设计的影响较小。随着hPS细胞、群体遗传学方法和细胞基因组学的交叉融合，期待这些研究能够为人类基因组学的发现和转化提供宝贵工具。

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