文摘
表观遗传机制在人类疾病中发挥作用但他们参与病理从中枢神经系统受到大脑的复杂性以及其独特的蜂窝结构和多样性。直到最近,针对性疾病的神经类型只能进化后期材料经过多年的疾病。目前诱导多能干细胞的体外系统(万能)生成的细胞重编程体细胞从患者提供了宝贵的疾病模型概括主要病理的分子事件。是否本身意味着一个真正的表观遗传重编程细胞重新编程,控制这一过程的表观遗传机制只是部分理解。此外,阐明表观遗传调控使用特定的iPSC-derived神经模型预计将有一个很大的影响解开神经退行性疾病的病理生理学和未来希望扩大治疗的可能性。这里我们将批判性审查当前的表观遗传知识参与神经退行性疾病关注潜在的细胞则是一种很有前途的工具,这些疾病的表观遗传研究。
1。介绍
模型神经退行性疾病的一个主要挑战是无法自然所针对的特定神经细胞疾病,通常只有在死后的状态。最近的体细胞重编程的协议有助于克服这样的困难。目前的体细胞重编程细胞多能性可以通过不同的方法包括体细胞核转移(SCNT),融合体细胞和多能细胞,包括定义组的异位表达多能性转录因子(TF)在成年体细胞产生诱导多能干细胞(万能),和成人的直接重编程体细胞诱导神经元(在)经验确定鸡尾酒神经源性因素(1- - - - - -5]。在神经退行性疾病的动物模型无法完全概括主要疾病病理方面(6),重组人成纤维细胞在iPSC已经成为一种广泛使用的技术允许的生成特定的disease-relevant细胞几乎无限数量的影响说明疾病的机制(7]。
帕金森病(PD)是一种神经退行性疾病与进步的多巴胺能神经元的损失(丹)黑质致密部(SNpc)导致了红衣主教马达动作迟缓的症状,刚性,震颤,姿势不稳定(8,9]。由于其潜在的适用性细胞疗法,中脑丹是第一个细胞类型产生的体细胞重编程(10]。iPSC-derived丹的相似之处与中脑丹都集中各种研究[11- - - - - -13]。肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)的标志是运动神经元的选择性死亡(MN)运动皮质、脑干、脊髓和导致进步的浪费和软弱的肢体,球,和呼吸的肌肉(14,15]。类似于丹在PD,专业化和高相对减少的MN ALS也蕴含着巨大的潜在使用ALS的体细胞重编程细胞疗法。亨廷顿病(HD)是一种单基因神经退行性疾病引发的三核苷酸扩张杭丁顿蛋白基因异常导致层次的功能障碍,导致肌肉协调(舞蹈病的动作),智力下降,和行为症状(16,17]。阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病,其特征是全球涉及记忆、认知能力下降方向,判断,推理赤字与沉积的淀粉样斑块和神经纤维缠结在不同脑区包括海马体(18]。对这些疾病和类似的与年龄相关的神经退行性疾病、细胞重组出现作为一个有前途的工具研究分子和细胞过程相关的病理生理过程subject-personalized的方式。
而只有5 - 10%的病例与神经退行性疾病,如广告,PD,或ALS孟德尔疾病是由致病性突变引起的疾病有关的基因,绝大多数情况下被认为是造成零星的遗传危险因素的复杂的相互作用,很大程度上是未知的环境条件19,20.]。然而,累积证据证明单基因和零星病例都可以共同致病机制(19]。到目前为止,iPSC-derived PD的神经模型21- - - - - -30.),肌萎缩性侧索硬化症(31日- - - - - -37,高清38- - - - - -41),和广告(42- - - - - -45]证明了仪器模型体外分子改变与疾病相关。是否成人体细胞重编程是一个真正的表观遗传重编程(7),详细外遗传性特征的患者iPSC-based疾病模型和表观遗传的作用这些疾病的病理生理学变化仍未开发。虽然已是不争的表观遗传改变导致人类疾病的生理病理学(46)还包括神经退行性疾病(47),应该相应地意料中的,iPSC-derived神经模型可能代表有效的工具来研究表观遗传变化与神经退行性疾病有关。
这里我们将审查的潜力和当前挑战iPSC-based模型来研究神经退行性疾病的表观遗传调控的背景下,现有的其他病人标本和疾病模型。
2。表观遗传机制与神经系统有关
有三大类的表观遗传修饰,包括DNA甲基化、组蛋白翻译后的修改,和非编码rna (ncRNAs),包括小分子核糖核酸(microrna的),小非编码rna (sncRNA)和长非编码rna (lncRNA) [48]。第一个涉及化学变化的两类DNA或组蛋白将综述讨论。关于转译后的修改,可以通过乙酰化作用主要发生甲基化,磷酸化,泛素化的蛋白残留,我们将重点讨论组蛋白乙酰化和甲基化这两个标志是相对更好的特点。
2.1。表观遗传的定义
“表观遗传学”可以被定义为mitotically和/或减数可遗传的基因表达的变化而发生DNA序列的变化。这些表观遗传修饰调节特异性基因的执行程序激活响应内感受器的环境刺激。从概念上讲,表观遗传机制包括长期沉默、转录、次生代谢、翻译、X染色体失活、基因印迹、DNA复制和修复、维持基因组完整性(49]。这些表观遗传机制发挥着至关重要的作用在调节基因表达的组织处置核染色体,限制或促进TFs DNA的访问,和保存记忆过去的转录活动(50]。表观遗传学研究的更多操作定义遗传基因活性的变化引起的直接修改在不改变DNA序列的核苷酸序列,即DNA甲基化和转译后的组蛋白修饰(51]。扩展,“表观基因组”可以被定义为整个基因组的DNA甲基化状态和组蛋白的共价修饰蛋白质的基因组特征的每一个细胞类型(52]。同样,每一个细胞的特殊的表观遗传特征类型通常被指定为“表观遗传景观。”一个特定细胞的表观遗传特征,尽管通常稳定,也可以随时间动态(53),因此动态表观遗传特征的变化被称为“表观遗传可塑性。“根据表观遗传理论,基因和环境可以影响监管协同工作机制控制DNA修饰基因表达的表观遗传标记(54)可发生在整个寿命(55]。在同卵双胞胎中,从最初的表观基因组表观遗传差异已被证明随着时间的推移积累(56),这样的差异被称为“表观遗传漂移。“这显然随机累积的表观遗传变化与衰老有关(57和也有零星的神经退行性疾病58),到目前为止,老化是已知的主要危险因素(20.]。
2.2。DNA甲基化和Hydroxymethylation
DNA甲基化是一个重要的在真核生物基因表达的调控机制。在哺乳动物和人类DNA甲基化主要影响胞嘧啶(C)基地时,后跟一个鸟嘌呤(G),这些CpG网站可以集中在所谓的“CpG岛”(GCI)为但DNA甲基化也可以出现在non-CG上下文(妇幼保健,H = C或T)。CpG和non-CG甲基化都是在老鼠和人类大脑中发现59,60但non-CG甲基化很少或没有在其他类型的分化细胞(61年,62年]。通常情况下,DNA甲基化是双峰分布从unmethylated完全甲基化位点,但在中间也存在位点甲基化过渡。甲基化状态的具体论文认定可以跨个体变量但稳定的随着时间的推移,在同一个人(63年]。DNA甲基化的生化过程包括共价修改添加甲基胞核嘧啶(ch3)5′位置导致5-methylcytosine (5 mc)。这个反应是由特定的酶称为新创催化DNA甲基转移酶(DNMT),它发生在ATP和S-adenosylmethionine作为甲基供体。
DNMT表达在神经发育和在成人大脑组织——和特异性的方式包括地区活跃的神经发生的64年和成年干细胞利基市场65年),他们参与了神经生存和可塑性66年]。DNMT1维护维持DNA甲基化的酶甲基化DNA复制后(67年种能阻碍DNMT3b]而DNMT3a和有能力使甲基化DNA新创(68年]。种能阻碍DNMT3b,一直特别参与神经嵴的规范(69年]。一旦建立了甲基化,methyl-CpG-binding域(MBD)家族的蛋白质被雇来甲基化位点引起招聘组蛋白的调节因素,如组蛋白去乙酰酶抑制剂(HDAC) [70年,71年)指示协同协调不同的表观遗传标记(48]。MBD的蛋白质也参与发展和成人大脑功能(72年]。最常见的结果DNA甲基化是基因和非编码基因的沉默区域,特别是影响基因启动子。但DNA甲基化也可以增强表达相关的机制,但仍然没有得到很好的理解(72年,73年]。最近的研究表明,大约75%的DNA甲基化影响而差别与基因表达相关的基因的身体对这些剩下的25%与upregulation [74年]。
的氧化还原酶等酶一千零一十一易位(春节)家庭负责5 mc 5-hydroxymethylcytosine氧化(5 hmc) (75年]。这一组的成员如TET1 TET2, TET3已被证明平衡的影响5 mc通过抑制绑定的MBP蛋白质。而5 mc积极与年龄相关,一般来说,消极与大脑中的基因表达(76年),5 hmc尽管关联也积极与年龄77年)已被证明将积极与表达(61年,78年]。此外,5 hmc马克似乎特别丰富的细胞更新率较低的组织如小脑和大脑皮层(79年),它已被证明是高度动态的和容易与年龄相关的变化80年,81年]。过程中DNA脱甲基酶催化这个反应仍然鲜为人知的尽管DNA demethylases如activation-induced胞嘧啶核苷脱氨酶(援助)82年TET1[]或DNA脱甲基活动75年已确定。在神经元,全球平衡在DNA甲基化、脱甲基,hydroxymethylation决定了神经生物学过程,如神经可塑性,记忆,或学习,放松管制可以与神经退行性疾病相关58]。
2.3。组蛋白修饰
除了DNA甲基化,染色质的构象也由组蛋白翻译后的修改。在真核生物染色质,基因组DNA包装在组蛋白蛋白质形成所谓的核小体,它由147个碱基对的DNA缠绕在组蛋白八聚物包含2份的核心组织蛋白H2A、H2B, H3和H4 (83年]。核小体是真核生物染色质的基本结构单位,先后通过一系列的高阶结构折叠形成染色体。因此,核小体压缩DNA并创建一个额外的监管控制,以确保正确的基因表达测定DNA的三维结构和它的可访问性TFs, RNA聚合酶和其他DNA序列(84年]。最终,核染色质的组织是由凝结活性的异染色质和常染色质开放活跃之间的平衡(85年]。最终,基因的转录调控主要是由RNA聚合酶II的物理访问控制启动子区域。然而,基因表达也受到cis-elements称为增强剂可远侧地位于启动子上游或下游和所需的表观遗传调控基因表达86年- - - - - -88年]。因此,除了甲基化,翻译后修饰的组蛋白启动子和增强子关键调节染色质的构象和特定基因的转录状态(89年]。
有超过100种不同的组蛋白翻译后的修改会影响不同的组蛋白氨基酸残基包括赖氨酸(K)、精氨酸(R),丝氨酸,苏氨酸(T)和谷氨酸(E)48]。其中,赖氨酸残基的乙酰化和甲基化是最著名的组蛋白修饰(90年]。酶学,化学反应的组蛋白乙酰化/脱乙酰作用是由组蛋白乙酰转移酶催化(帽子)/去乙酰酶抑制剂(HDAC),而组蛋白甲基化/脱甲基作用是由组蛋白甲基转移酶(HMT) / demethylases (HDM)通常形成chromatin-modifying复合物(91年]。这些组蛋白标记也特别认可chromatin-binding蛋白质参与转录激活或压迫和DNA复制和修复。
例如,H3K4甲基化,可以抑制HDAC因此支持的绑定乙酰化作用而H3K18乙酰化作用促进了订婚的帽子92年]。甲基化和组蛋白3的特别trimethylation赖氨酸27 (H3K27me3) /赖氨酸9 (H3K9me3)与基因相关的镇压。相反,通常的H3K4甲基化标记活性增强剂而H3K4乙酰化作用,H3K9, H3K27与转录激活(93年- - - - - -95年]。此外,H3K27ac马克已经发现特别区分活性增强剂和增强剂于胚胎干细胞(ESCs)在开发过程中相关基因(86年]。一般来说,乙酰化作用氨基酸组的组蛋白赖氨酸残基中和正电荷从而放松染色质结构(91年)通常有利于蛋白质绑定的转录激活物(96年]。每相反,染色质组蛋白脱乙酰作用有利于压实和转录镇压97年]。组蛋白标记影响H3赖氨酸残基最近与功能包括染色质状态,总结全面,压抑的地区(H3K27me3和H3K9me3),启动子(H3K4me3)启动子/增强器(H3K4me1和H3K27ac)和转录延伸网站(H3K36me3) [98年)(表1)。最近,参考功能染色质的国家都已经在人体中被定义为各种组织包括中枢神经系统(CNS)未来的表观遗传研究提供了一个宝贵的资源(99年]。在中枢神经系统中,这些组蛋白修饰与神经干细胞(NSC)相关维护、神经和神经胶质细胞类型规格、体内平衡,神经可塑性,学习,记忆,和老化48]。
2.4。表观遗传机制在神经细胞分化
在开发期间,进展的多能干细胞通过分化细胞祖细胞发生增加的组蛋白标记、DNA甲基化、染色质压实(One hundred.]。这些压抑的表观遗传标记限制发展中细胞的表型可塑性的属性,因此是必不可少的获取一个分化细胞的身份(101年]。对表观遗传嗒嗒嗒地在人类大脑的发展但努力描述正在进行包括methylome研究至少某些细胞类型。因此,先锋工作已经确定了不同甲基化CpG地区与突触发生在老鼠和人类大脑发育期间似乎丰富的重点监管区域来显示他们的假定的功能相关性(61年]。此外,这项研究显示,5 hmc标志出现在胎儿大脑区域也被失去CG甲基化和激活non-CG甲基化积累在神经胶质神经元但不是在这个过程。相反,组蛋白标记的大脑发育102年,103年)或全球转录组变化参与程控规范仍缺乏探讨(104年,105年]。然而,一旦神经命运程序被激活,细胞染色质的重塑是由规范TFs等信号与目标序列(106年]显示特定的结合位点浓缩TFs的活动调节基因表达(53,107年]。从概念上讲,多个TFs表演以协调的方式编排的重构表观基因组分化的神经细胞获取特定的细胞表型(108年,109年]。这些核心“先驱”TFs影响染色质环境中通过增加额外DNA可访问性TFs [110年)促进细胞规范(111年]。等核心TFs OCT4、SOX2 NANOG是主要的监管机构在人类胚胎干细胞多能性状态的维护(ESCs) [112年,113年]。其中,OCT4可以控制的表达H3K9me3 demethylases有助于保持自我更新所需的表观遗传标记的ESC (114年]。因此,基因转录活跃在ESC OCT4或NANOG等特点是H3K27ac和H3K4me3活跃的标志。相比之下,最关键发育基因仍不活跃在ESC自我更新,同时二价染色质标志包括专制H3K27me3和主动H3K4me1 / H3K4me3标志(115年]。在与二价基因标志是HOX集群主监管机构的胚胎发育116年),是由polycomb压抑的沉默,直到细胞命运的承诺复合物(中华人民共和国)。通过添加H3K27me3[这些中国促进染色质缩合117年),同时保持泰然自若的转录。二价标志变得单价的活跃的在ESC承诺对神经血统(118年]行动的具体H3K27me3 [119年)和H3K4me3 demethylases [120年]。在鼠标NSC,二价是可以归结为积极H3K4me3 monovalency在分化gaba ergic神经元和神经元在non-GABAergic专制H3K27me3 [121年]表明基因携带二价是可能会失去一种类型的标志,成为活跃或沉默取决于的方向分化。一般来说,在分化,逐步关闭分化所需的染色质发生在基因座(115年]开放染色质组蛋白标记的损耗,主要H3和H4乙酰化作用,同时增加了压制性标志如H3K9me3 [122年,123年]。
表观基因组路线图的一部分项目,最近的一项研究表明,细胞规范到three-germ层衍生品包括TFs的动态变化在具体协调工作和顺序TF模块集成的个体TFs显示类似的绑定偏好普遍序列(124年]。因此,DNA甲基化的具体损失已经检测到的目标序列由于绑定lineage-specific TFs增量的启动子/增强器H3K27ac马克。在神经系统中,另一项研究TFs神经监管网络参与分化特征通过神经上皮的祖细胞从ESC放射状胶质细胞(125年]。本研究发现,不同神经阶段具有不同的表观遗传状态不同的TFs与所观察到的成分抑制stage-specific表观遗传变化。因此,早期过渡分期从胚胎神经上皮的祖显示浓缩为启动子/增强器H3K4me1 H3K27ac标志而后过渡到径向神经胶质细胞显示大量的启动子马克H3K4me3 [125年]。
2.5。表观遗传机制在iPSC重组
而细胞“重编程”的过程意味着一个真正的表观遗传重编程(7),这个过程只有部分精确的表观遗传机制。一组定义的多能性TFs包括只有四个,甚至三个重组TFs,即OCT4、SOX2, KLF4, MYC,已经被证明是足以产生诱导多能干细胞(iPSC)状态(2]。这些TFs俗称OSKM因素(或商船当不包括原癌基因)。OSKM的表达需要克服表观遗传障碍,如组蛋白的马克H3K9m3细胞重编程(126年]。一旦OSKM因素表达和表观遗传障碍被克服,多能性是保持稳定,无需进一步的异位TF表达。OSKM因素的表达后不久,人类成纤维细胞最初表达下调的特定标记他们的躯体状态,随后激活与多能性相关的基因(127年,128年]。
采用干细胞的表观基因组特点,体细胞必须擦除和染色质的表观遗传重组的签名129年]。这个过程包括组蛋白标记的全基因组重置后立即发生的感应OSKM因素(2,130年- - - - - -132年]。随后,多能性基因的启动子区域的DNA脱甲基作用如NANOG SOX2, OCT4由activation-induced胞嘧啶核苷脱氨酶(援助),需要在重编程过程的后期82年,130年,133年]。然而DNA脱甲基作用也会发生早期由于援助是脱甲基OCT4所需的启动子在成纤维细胞和启动核重编程的过程对多能性(82年]。最近的研究表明,放松的商船TFs充当先锋因素染色质进入更加开放的访问形式,允许相关基因的激活诱导多能性状态的建立和维护134年]。最初的组蛋白OSKM所带来的转译后的变更包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化的组蛋白。这些组蛋白翻译后的变化是由帽子和催化HMT(也被称为“作家”)和HDAC HDM(称为“橡皮擦”)(52)行为,分别作为辅活化因子或辅阻遏物OSKM因素(126年]。最早的流程,增加H3K4me2马克发生在基因的启动子和增强子区域的多能性丰富的结合位点OSKM因素和缺乏H3K4me1和H3K4me3活跃的标志(130年]。为了实现OSKM引起的多能性,最近的研究表明,有三组的表观遗传的目标。首先,体细胞基因开放的染色质状态显示DNase我敏感和活跃的组蛋白标记H3K4me2 H3K4me3确实能为OSKM是表达下调(134年]。第二,远端管理元素显示DNase我过敏和马克H3K4me1作为宽容的增强剂,增强剂OSKM绑定后,与启动子诱发核小体损耗、染色质放松,lineage-specific基因转录激活(135年]。第三组OSKM目标包括核心多能性基因含有异色的地区丰富的专制马克H3K9me3绑定OSKM导致non-lineage-specific基因的镇压(136年]。
染色质的表观遗传改造重组对多能性还需要DNA甲基化的变化。虽然DNA甲基化被认为是最稳定的表观遗传修饰授予永久基因沉默在开发过程中(126年),组蛋白修饰已被证明在开发过程中通常先于DNA甲基化的变化(109年)和持续这种层次的事件也被观察到在重组133年]。脱甲基的多能性基因对忠实的重组是至关重要的,尽管会发生脱甲基通过被动或主动机制(137年),主动脱甲基作用催化由特定酶已被证明扮演更重要的角色在诱导多能性126年]。此外,逐步减少H3K27me3压制性标记的DNA甲基化和基因的启动子相关的转换发生在重编程(133年]。虽然这些变化几乎只发生在CpG岛起始位点的重组过程的开始,他们后来扩大CpG岛以外影响其他地区(138年]。在重组期间,低效的DNA脱甲基或remethylation与“表观遗传记忆”有关;即部分保留在iPSC体细胞表观基因和转录模式的类型的起源的后果可能会限制微分属性生成特定的程控衍生品支持特定细胞类型的生成对他人(139年]。这后生记忆与未能扭转压抑的表观遗传标记与细胞命运的承诺(101年]。迄今为止,表观遗传记忆一直被视为内在限制iPSC允许多能性但不是全能。
3所示。使用万能干细胞表观遗传研究神经退行性疾病
从技术的角度,ESC代表一个理想的工具研究开发和人类疾病模型提供一个几乎无限的资源感兴趣的细胞的自我更新和分化能力。然而,ESC的使用以来一直受到伦理问题限制电流隔离协议ESC的囊胚内细胞团意味着胚胎的破坏。在这个场景中,体外代iPSC有助于克服至少部分这样的一个障碍。在这里,我们将回顾iPSC的潜力模型作为承诺电池系统的上下文中执行神经退行性疾病的表观遗传研究人体解剖大脑组织和动物模型,也可以实现这个新的研究场所。
3.1。全基因组甲基化研究的病人尸检脑组织
最近的一项研究调查了methylome灰质皮层组织的广告使用大量的前瞻性收集解剖大脑从病人和控制140年]。本研究确定了微分DNA甲基化在11论文认定与广告相关病理为评估神经炎的淀粉样斑块的负担和RNA表达。6识别差异甲基化基因连接到一个已知的基因网络广告的易感性。其中,甲基化差异ANK1基因是一个独立的分析进一步证实了内嗅皮层,这是一个主要的广告病理,以及其他受影响的地区包括颞上回和前额叶皮层(141年]。在PD,全基因组关联研究(GWAS)确定新的与疾病相关的遗传变异,基因的一个子集,它还发现差异甲基化水平在PD额叶皮层和小脑与之前报道的基因重叠协会(142年]。PD额叶皮层的另一个全基因组DNA甲基化的研究还发现了不同的甲基化模式影响基因多态性与PD和PD,有趣的是,这些差异甲基化模式相关的大脑和血液样本143年]。总的说来,这些研究在AD和PD提供后生放松管制的概念验证发生在神经退行性疾病和鼓励使用iPSC-based模型进行表观遗传研究这些疾病。然而,DNA甲基化改变从这些研究发现尽管大脑细胞类型的异构混合,因此可能整体表观遗传差异可能被低估。同样,这将是意料中的表观遗传变异与疾病可能会发现使用iPSC-based模型尽管细胞群异质性的固有的这些模型。然而在这种情况下,则模型提供了机会来描述特定细胞的表观遗传档案数量通过使用技术,如fluorescence-activated细胞排序(流式细胞仪)最近显示鼠标的转录组表征iPSC-derived丹(144年]。
3.2。教训表观基因在小鼠模型的研究
RNA-seq最近的一项研究广告Ck-p25小鼠模型的确定基因表达upregulation免疫系统基因的差别,对这些基因与神经功能相关的基因(145年]。类似的结果也被报道在人类广告后期海马体(146年]。这些表达变化与启动子的外遗传性地位,增强剂,polycomb-repressed区域显示特定的神经元启动子和增强器损耗的痕迹。有趣的是,这项研究证明了一个强大的保护人类和小鼠之间的基因表达和外遗传性签名与特定的浓缩剂直接同源AD-associated位点。同样,在PD外遗传性(147年和转录组144年)小鼠模型的签名iPSC-derived丹已经深深特征但类似的研究在人类iPSC-based PD模型仍下落不明。另一项研究相比,PD初级胚胎的转录组和methylome mesodiencephalic丹的敲入小鼠以及iPSC-derived丹生成在胚胎成纤维细胞重编程(148年]。PITX3是一个高度的特定制造商丹黑质和流式细胞仪分析基于Pitx3-GFP记者透露,尽管老鼠iPSC-derived丹主要采用高度相似的全球基因表达和DNA甲基化模式作为体内同行,他们也显示偏差包括在中间神经位点甲基化(40 - 60%的甲基化)的作用还有待阐明。总的说来,这些研究在AD和PD说明一个场景,在该场景中,表观遗传相关的神经退行性疾病的研究比人类更高级的iPSC-based模型从鼠标由于可用性的原因。然而这些老鼠表观遗传研究成果可以有用的表观遗传研究使用patient-derived iPSC-based自小鼠模型的研究可以提供有效的技术资料可能有助于防止缺陷在设计实验用人类细胞则以及生成小说表观遗传知识在人类探索模型真正的病人。
3.3。iPSC神经退行性疾病的表观遗传研究模型
最近,完善的协议已经阐述了生成patient-derived disease-relevant细胞类型在iPSC重组(全面了149年])。这些方法获得的特定的细胞类型包括iPSC-derived丹在PD (21- - - - - -30.)、锰在肌萎缩性侧索硬化症(31日- - - - - -37),纹状体中带刺的神经元在高清31日- - - - - -37),或神经元在广告42- - - - - -45]。虽然这些协议一直在稳步提高重组和分化效率增加,细胞异质性陪同disease-relevant固有细胞仍然是当前iPSC模型。这个伴随细胞异质性可以作为一个潜在的“表观遗传研究,但是,如果以一种平等的方式影响iPSC从病人和控制,它也可能导致低估的表观遗传差异,观察到最近建议在后期表观遗传研究分析异构混合脑细胞的140年,141年]。还是这个细胞异质性应该适当控制表观遗传研究进行流式细胞仪分离提供纯细胞表观遗传分析(前144年,148年]。或者,它也可以控制细胞异质性造成的变化通过研究表观遗传的神经类型nonenriched iPSC-derived特定的神经类型的兴趣,例如,iPSC-derived神经在丹文化nonenriched丹研究PD控制人口。因此,如果差异仅出现在丹而不是其他文化nonenriched丹,发现表观遗传差异是由于丹(Fernandez-Santiago et al .,未发表的数据)。尽管当前的技术挑战,细胞重新编程提供了概念上一个独特的机会来生成人类体外模型,将允许调查染色质的表观遗传调控和修改功能状态相关的神经退行性疾病(52]。最近,表观遗传特征从111年人体组织已成为公开可用包括多个脑区如海马体或黑质相关AD和PD,分别为(99年]。这个大型多中心研究实现了人类基因组参考序列和预计未来研究表观遗传变异的基础及其在人类疾病提供参考作用组蛋白修饰和DNA甲基化的地图,以及全球RNA表达数据。这个信息会帮助调查特殊的表观遗传变化和模型体外小说表观遗传疾病机制使用现有patient-derived iPSC-based模型神经退行性疾病的最新没有epigenetically特征(150年]。有趣的是,iPSC-derived神经模型保存病人的遗传背景,这是有关自疾病相关的遗传变异之前被证明是富含组织外遗传性标记显示重叠的遗传和表观遗传的改变,可能与人类疾病相关(99年]。此外,iPSC-derived神经模型几乎能提供机会接近exposome或环境的历史可能相关的复杂疾病的个人预期的广告,等大型环境贡献PD、肌萎缩性侧索硬化症以及他们的单基因形式(图1)。
3.4。万能模型单基因的表观遗传研究和零星的形式的神经退行性疾病
除了高清基本上是单基因疾病,大多数患者与其他神经退行性疾病如广告、PD、肌萎缩性侧索硬化症是零星或特发性。在这些情况下,疾病如所预期地由遗传风险的累积和/或协同效应变异一起很大程度上是未知的环境条件(151年- - - - - -153年)的效果可能最终会反映在表观基因组的病人。迄今为止,尽管iPSC-based疾病建模在突变导致优先执行单基因形式的神经退行性疾病,最近的研究在AD和PD组的概念验证iPSC-derived模型从零星的病人可以表现出分子变化类似于单基因的患者(这些变化检测28,42,43]。在单基因的情况下,iPSC-based系统提供有吸引力的可能性进行基因编辑(29日)导致的分子事件的说明引发疾病通过分析特定致病突变的影响。不幸的是,这种方法是不可行的零星的形式由于多基因多个遗传风险因子的影响预计将参与了零星的疾病。尽管如此不便,iPSC-derived系统已经被证明有效的零星的疾病模型,例如,在PD (154年)但是,然而,它并没有澄清这些iPSC-derived模型的潜在机制从零星的病人可以开发疾病表型。可以推测,因为iPSC-based神经模型保存患者的遗传背景,派生的神经元也携带特定的易感性的遗传变异可能最终引发疾病发起致病性变化。另外,生物变化和损失可能已经出现在主纤维母细胞的相互作用的结果充分遗传背景和环境因素,但其致病效应可能只有在适当的上下文disease-relevant神经细胞类型。支持这一观点,生物改变纤维母细胞中描述最近与PD散发病例或广告(155年,156年),因此加强潜在的分子缺陷的想法可以出现在体细胞。然而这些潜在的遗传或表观遗传本质潜在的分子缺陷的体细胞散发病例迄今为止没有进入详细地探讨神经退行性疾病。此外,遗传和表观遗传因素的相互作用代表调查在复杂疾病的一个重要领域157年]。在这种情况下,病人特异性iPSC-derived神经细胞可能是有用的模型不仅能够捕捉的主题遗传背景,也可能概括个人的环境exposome通过表观基因组(图1)。因此,iPSC-based神经模型预计将有助于研究表观遗传变异的零星的形式的神经退行性疾病的环境应该发挥更重要的作用。然而,这些多因子疾病的复杂性将高,尤其是当考虑到可能的遗传风险变量之间的相互作用的存在及其甲基化状态可能最终修改他们的致病性157年]。在这种观点下,iPSC-derived神经模型开辟新的研究与神经退行性疾病和场地调查外遗传性改变尤其是零星的形式。
3.5。环境表观基因组学在复杂的神经退行性疾病
环境条件包括个体对药物的博览会、毒素、代谢产物或其他外部刺激。然而,环境也可以被视为单个细胞微环境包括外部细胞刺激,炎症反应,或信号从附近的细胞。然而,这两个宏观和微环境条件已被证明有助于修改最终诱导表观基因组的细胞内感受器的信号级联(158年]。这些环境条件也被证明有助于表观遗传漂移同卵双胞胎中观察到随着时间的推移积累不同外遗传性改变(56]。代谢物之间的调节表观基因组,重塑染色质构象的叶酸已被证明在神经管发育的神经推动者表明环境阐述化学线索可以与表观遗传调控相关的神经系统(159年]。此外,累积证据表明其他化合物干扰表观遗传控制在开发早期怀疑因此引起其他神经缺陷在以后的生活中160年]。因此,表观遗传研究可以提供新颖的机械模式发育毒理学研究晚发性疾病如广告或PD (161年,162年],表观遗传变化可以调解的过渡从早期侮辱化合物造成的不利影响对发育中的神经系统(160年]。一些作品还透露幼年时期之间的联系接触杀虫剂和PD (163年]但后生参与致病过程还不清楚。作为环境因素的例子可能引发神经退行性疾病,如帕金森病在以后的生活中,细胞培养的研究表明,暴露在多种神经中毒,如甲基汞(MeHg)损害的形成丹或减少神经炎的增长164年,165年]。在成人中,pesticide-induced hyperacetylation导致染色质的组蛋白decondensation和非特异性转录upregulation与PD (166年]。例如,百草枯农药作为另一个神经毒素在PD与hyperacetylation组蛋白(167年]。此外,时间增加H3和H4 hyperacetylation环境毒素引起的如杀虫剂狄氏剂也被与帕金森病的病理生理学168年]。此外,最近的研究证明了中介的表观遗传机制在促进轴突再生脊髓损伤后提供进一步证据的影响,环境因素在个人的表观基因组169年]。在这种背景下,patient-derived iPSC-based神经退行性疾病的细胞模型可以代表一个有效的工具来探索对主题的影响表观基因组的候选人中确定环境因素的流行病学研究。从这些研究成果可能最终有助于破译与环境条件相关的病理生理过程中识别特定的潜在神经退行性疾病的表观遗传机制。
4所示。表观遗传在神经退行性疾病治疗靶点
原则上,iPSC模型是适合药物开发由于其无限的自我更新能力允许的生产大量的细胞和高分化成针对疾病的细胞类型属性。然而,iPSC模型尚未广泛应用于大规模药物筛选导致神经退行性疾病相关的克隆变异随机基因突变(170年),还由于困难在正确控制分化在使用大量的克隆效率。因此,尽管几千化合物的研究已发表在肌萎缩性侧索硬化症(171年,172年)或广告(173年),大规模药物研究使用iPSC的发展仍然是一个持续的区域。相反,策略使用有限数量的候选人在其他疾病治疗药物已经成功测试了(174年]。目前这种方法似乎更可行的为神经退行性疾病最近iPSC的模型所示广告(175年和肌萎缩性侧索硬化症35]。
表观遗传药物目前探索人类疾病模型中包括最显著的组蛋白脱乙酰作用抑制剂,DNA甲基化抑制剂,组蛋白乙酰化催化剂(158年]。从概念上讲,帽子和HDAC保持正确的组蛋白赖氨酸残基的乙酰化标记的平衡在acetyl-coenzyme乙酰基的捐赠者。帽子法案通过提高TF结合DNA可访问性和增加基因表达而相反HDAC衰减转录产生相反的效果。这些乙酰化作用平衡决定细胞生存和体内平衡而失衡病理相关条件(176年,177年]。在神经退行性疾病,最近的报告表明,放松管制的组蛋白乙酰化水平可以通过表观遗传调节药物(178年,179年]。因此,药物激活帽子(180年)以及HDAC抑制剂已被证明改善神经保护和突触发生181年,182年]。此外,表观遗传药物调节帽子或HDAC活性已被证明,以缓解病理症状在PD实验模型,广告,和HD恢复异常与疾病相关基因镇压[183年- - - - - -186年]。然而不同的药物可能需要不同方面的疾病(158年]以来,例如,在ALS帽子叫anacardic酸抑制剂已经被证明是有效地表达下调基因表达异常,并对ALS MN表型(35]。丙戊酸(VA)是一个HDAC抑制剂增强H3乙酰化作用,已被证明是对MPTP-induced神经神经毒性在PD小鼠模型187年]。弗吉尼亚州的神经保护作用已被证明是由神经胶质细胞衍生因子(GDNF)和脑源性神经营养因子(BDNF)信号在丹从大鼠模型188年]。ESCs维甲酸(RA),这是一个行列式的前后的模式发展的中枢神经系统,已被证明有类似的效果HDAC抑制剂通过增加组蛋白乙酰化水平和基因表达上调的目标(189年]。
特别是在PD,其他研究表明,表观遗传药物可以用于调节表观遗传相关疾病方面放松管制。因此,最近的一项研究在人类丹模型和鼠标organotypic大脑切片文化表明HDAC抑制剂的治疗丁酸钠(正当)移植氧化物的表达蛋白激酶(PKCs)和增强丹凋亡细胞死亡(184年]。自效应直接导致H4 hyperacetylation HDAC抑制剂,本研究支持的角色HDAC小说放松管制在PD和识别潜在的表观遗传治疗目标。此外,DNMT抑制剂如5-aza-2′脱氧胞苷(5-aza-dC)已被证明诱导的表达酪氨酸羟化酶(TH),多巴胺的合成,以及α-突触核蛋白的表达(190年]。此外,levodopa-induced运动障碍是PD患者的左旋多巴治疗的主要副作用与组蛋白脱乙酰作用有关在PD动物模型191年]表明组蛋白乙酰化作用的药物治疗运动困难的(192年]。一般来说,如果左旋多巴证明通过表观遗传途径,传统的治疗应该重新审视这部小说阐明表观遗传方面和设计新颖和更具体的药物(158年]。
总之,更不用说,表观遗传神经退行性疾病是一个新兴的研究领域,表观遗传治疗靶点的识别广告,PD, ALS处于起步阶段。在这种情况下,不仅iPSC-based模型可能是有用的检测表观遗传变异与这些疾病相关,还可以探索能力的候选人表观遗传药物正确表观遗传改变和设计新的治疗策略。迄今为止,这一目标似乎是技术上可行只对中小规模药物研究和非常具体的药物。然而未来特定的iPSC-based系统使用改进的细胞“重编程”协议预计将铺平道路的表观遗传研究最终打算交付个性化的表观遗传治疗。
5。未来的视角和开放式问题
尽管近期作品提供了证据神经退行性疾病的表观遗传变异的参与和支持使用iPSC-derived神经模型来探索表观遗传改变在这些障碍,几个问题仍有待回答。
第一个问题是iPSC-derived神经元是否真的模仿表观遗传和表达特性发生在受影响的大脑区域的病人。表观遗传变化与神经退行性疾病相关预计将反映遗传背景复杂的相互作用,环境因素和基因表达的大脑。因此,它将需要评估是否iPSC-derived神经元获得患者成纤维细胞做忠实地概括的分子事件发生在大脑的复杂细胞微环境从而代表良好的疾病模型。直接近似将包含的比较和确定程度的巧合iPSC-derived表观遗传标记的神经元和在病人大脑细胞同行调查在最近的一项研究[148年]。然而,定义相关的表观遗传学改变的疾病仍然是具有挑战性的,因为通常后期脑组织只经过多年的疾病也进化和重要的细胞损失后的神经元疾病的目标。此外,它也是至关重要的,确定外遗传性剖面的变化,基因表达模式,整个神经元蛋白质组成和性能可以代表自己最初的变化引发的疾病或者二级神经退化过程的生理变化(193年]。相当,这是一个重要的应用iPSC-derived神经退行性疾病的细胞模型可以帮助识别早期的改变发生在神经组织(194年]。这些细胞能够表明神经网络和功能的生物化学、电生理学和突触传递如前所述28,42]。然而它还有待证明的表观遗传变化中发现iPSC-derived神经元可能是病态的表观遗传变异与疾病相关的或者他们是否可能是有益的补偿变化应对疾病损伤引起的其他分子机制。
其次,假设iPSC系统代表了良好的疾病模型神经退行性疾病,一个新的地点将开放探索表观遗传变异在特定基因位点利用高分辨率全基因组的方法,包括商用甲基化数组,全基因组亚硫酸氢盐测序,或全基因组组蛋白标记分析和控制的病人。为了实现我们的理解疾病机制,这些数据可以通过综合分析生物学方法询问表观基因组、转录组和已知的危险基因位点检测全基因组关联研究(GWAS) [195年- - - - - -197年]。这样,GWAS发现了数以百计的遗传风险变异等神经退行性疾病的广告或PD (198年- - - - - -200年)是位于不同基因位点影响病原学的途径参与对疾病易感性疾病但微妙的影响。然而,重要的是要注意,更多的风险多态性确定直到现在,GWAS没有立即提供功能性的见解也不能总是很明显,大多数风险变异分配给目标因为许多变异位于非编码基因或基因间区域(201年]。因此,提高我们对疾病风险机制的理解,它可能与顺式或trans-located遗传风险多态性,基因活动由成绩单量化(202年,203年),论文认定在特定位点甲基化差异(204年]。这些基因变异可以影响基因表达活动通过改变DNA结合TFs的亲和力205年)导致差异甲基化模式和如果位于增强地区他们也可以改变远端靶基因的表达(204年]。因此,这种组合方法将特定候选基因多态性的基因表达变化,差异甲基化论文认定可以帮助了解与疾病相关的遗传变异的功能后果风险,促进从GWAS研究数据的解释206年),例如,通过限制风险的分析候选人在GWAS这些多态性与disease-targeted细胞的甲基化水平的差异(197年]。因此,我们预计,表观遗传和表达变化中发现iPSC-derived神经退行性疾病的模型将作为功能系统重新诠释与这些疾病相关的遗传风险基因座通过实现致病机制与风险相关的知识的遗传位点。
第三,假设这些神经元概括诱发表观遗传变化,一个新的机会将探索的能力不同epigenetic-modifying药物调节病理表观遗传模式,然后观察他们各自的功能效果和建立因果机制。这样,iPSC-derived神经元可以代表一个有效的工具来检测潜在的治疗药物逆转病理表观遗传变化和监测disease-relevant过程如α-突触核蛋白或淀粉样蛋白沉积,自噬的改变,线粒体功能障碍。总之,iPSC-derived神经元模型有前途的生物机械的研究视角和开辟新的途径,药物发现和测试以及临床治疗神经系统疾病相关的表观遗传变化。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
作者的贡献同样的概念,回顾数据和论文的写作。
确认
作者在这个领域向作者道歉的作品不能引用综述由于空间限制。这项工作是中心开发的基于de Recerca Cellex,西班牙巴塞罗那。在作者实验室工作一直由皇家研究院祝您健康卡洛斯三世(ISCIII) FIS批准号PI14/00426的合作项目计划基于Centro de Investigacion en红色de心血管Neurodegenerativas (CIBERNED)通过批准号PI2010/05。鲁本Fernandez-Santiago被玛丽Skłodowska-Curie支持合同的EC和IDIBAPS Juan de la Cierva西班牙经济合同和竞争力(MINECO)和马里奥Ezquerra米格尔Servet ISCIII的合同。