NBT破解谜题：诺奖技术iPSC诞生14年，阻碍临床应用的“关键因素”找到了!
2006年，京都大学山中伸弥教授及其合作者在Cell杂志[1]率先报道了诱导多能干细胞（iPSC）技术，这类细胞重编程自成熟细胞（如皮肤细胞），具有分化成多种细胞类型的潜能。该突破技术的出现很快引发轰动，并掀起了研究热潮。短短6年后（2012年），山中伸弥教授就因在开发iPSC中做出的贡献与英国科学家John B. Gurdon分享了诺贝尔生理学或医学奖。
很多人认为，iPSC将成功进入临床，并带来再生医学革命。因为，理论上来说，由于同一名患者同时是iPSC的供体和受体，因此，这些细胞将被患者的免疫系统识别为“自己人”，从而不会出现困扰传统移植的排斥反应问题。然而，现实状况并没有大家想象的那么美好，临床前研究表明，来源于iPSC的细胞移植常常被排斥，基于这类技术的疗法并没有成为最初设想的灵丹妙药。
那么，为何基于iPSC的细胞移植会出现这种排斥反应呢？这是很多研究团队试图弄清的问题。8月19日，发表在Nature Biotechnology上的一篇论文中[2]，来自加州大学旧金山分校等机构的科学家们获得了一项重要发现。研究证实，成熟细胞向iPSC转化的过程会使线粒体中的DNA发生突变，而这些突变之后会触发免疫反应，导致小鼠和人类排斥iPSC。
“在再生医学领域，线粒体的作用很大程度上被忽视了，但我们实验室的早期研究表明，线粒体可能会影响干细胞移植的结果。因此，我们认为，了解线粒体的作用很重要，它能够帮助我们可靠的控制工程细胞的质量，确保被移植到患者体内的干细胞产品不产生排斥反应。”论文共同一作Tobias Deuse博士解释道。
线粒体通常被称为细胞的动力工厂，负责为几乎所有生物过程提供能量。拥有自己的基因组使得该细胞器“身份”更加特别。与位于细胞核内的基因组（包含超过20,000个蛋白质编码基因以及30亿个DNA碱基）不同，线粒体基因组仅包含13种编码蛋白质的基因，以及不到17,000个碱基。然而，在能量需求非常高的组织中，微小的线粒体基因组为细胞的总蛋白含量贡献了“惊人的力量”。
举例来说，在“工作量巨大”的心肌细胞中，多达三分之一产生蛋白质的mRNA起源于线粒体。这意味着，单个线粒体的突变负担可能非常大；最终可能会产生数千种引发免疫反应的蛋白质。
为了证明这样的线粒体突变能够触发免疫反应，领导该研究的Sonja Schrepfer教授及其团队创造了同时携带核DNA（来自一种小鼠品系）和线粒体DNA（来自另一种小鼠品系）的杂合干细胞。他们将这些干细胞移植到了具有相同核DNA，但线粒体DNA不同（在两个蛋白质编码基因中有一个碱基不同）的小鼠中。
移植几天后，研究人员从小鼠中收集了免疫细胞，并将这些细胞暴露于各种线粒体蛋白片段中。结果显示，唯一触发免疫反应的蛋白质由两个“外来”线粒体基因所产生。
虽然类似的实验不能在人类身上进行，但科学家们想出了一个聪明的解决办法。他们招募了肝脏和肾脏移植患者，利用供体和受体线粒体DNA天然存在的序列差异设计了相关实验。与在小鼠实验中一样，研究人员从每个移植受体中分离出了免疫细胞，并将这些细胞暴露于线粒体蛋白片段中。结果与小鼠研究一致，受体的免疫细胞只会被来自器官供体的“外来”线粒体蛋白质触发。
“在小鼠和人类中，即使一个线粒体突变也足以产生可识别的免疫反应。”Schrepfer教授说。
人类移植受者中对同种异体线粒体DNA来源的蛋白质的免疫反应（图片来源：Nature Biotechnology）
基于以上发现，科学家们接着确认，是否来源于iPSC的细胞会与肝脏和肾脏细胞一样，会因线粒体表达了不同的蛋白质而触发机体的免疫排斥。
结果证明，iPSC的转化过程具有高度的诱变性，导致了许多新的能激活免疫反应的线粒体突变。
事实上，在正常生理条件下，线粒体DNA的突变率就比细胞核DNA高10-20倍（与细胞核不同，线粒体缺乏修复DNA的分子机制），而将成熟细胞转化为干细胞（即产生iPSC）是一个艰难的过程，因此，预计突变率会同样高或更高。
“在培养皿中培养iPSC的时间越长，引入新突变的可能性就越大，或者，已存在的罕见突变会被放大，这就会使得来源于iPSC 的细胞在移植后更容易被排斥。由于在iPSC生产过程中很容易引入突变，因此在移植前筛查用于治疗的iPSC和干细胞产品的线粒体突变至关重要。”Shrepfer教授说。
不过，值得一提的是，研究团队强调，iPSC移植并非注定失败，他们之前发现了一种使iPSC对免疫系统“隐形”的方法——这种技术可以确保iPSC和其它携带线粒体突变的干细胞不会被排斥（今年2月，Deuse博士和Schrepfer教授利用基因魔剪CRISPR技术创造了首个功能上对免疫系统隐形的多能干细胞。这被认为是生物工程领域的一项壮举。在实验室研究中，这类多能干细胞阻止了排斥反应。）[3]。
总结来说，科学家们认为，这些发现可能会对移植领域产生重大影响，推动iPSC技术颠覆再生医学的进程。
小结
领域：干细胞
相关论文：
[1] Kazutoshi Takahashi et al. Induction of Pluripotent Stem Cells from Mouse Embryonic and Adult Fibroblast Cultures by Defined Factors. Cell(2006).
[2] Tobias Deuse et al. De novo mutationsin mitochondrial DNA of iPSCs produce immunogenic neoepitopes in mice and humans. Nature Biotechnology (2019).
[3] Tobias Deuse et al. Hypoimmunogenic derivatives of induced pluripotent stem cells evade immune rejection in fully immunocompetent allogeneic recipients. Nature Biotechnology (2019).
参考资料：
1# 2012年诺贝尔生理学或医学奖揭晓
2# 诱导多能干细胞缩短细胞治疗过程，进一步推进再生医学走向临床丨CellPress论文速递
3# Wikipedia: Induced pluripotent stem cell
4# New clues on stem cell transplant rejection revealed in study
5# CRISPR Gene Editing Makes Stem Cells ‘Invisible’ to Immune System
新靶点
NKG2A | GARP | CD22 | 628个靶点 | LIF | CDK2 |
WWP1 | VCAM1 | CA19-9 | Flower | CD24 |
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