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体积 2020年 |文章的ID 1061470 | https://doi.org/10.1155/2020/1061470

毛Xinchao胡锦涛,使团,立元粉丝,海阳罗(Hu烁,志华,惠民郑,惠芳太阳,玉扇,徐京阳,长河Shi,媒体, 使用诱导性多功能干细胞建模帕金森病”,干细胞国际, 卷。2020年, 文章的ID1061470, 15 页面, 2020年 https://doi.org/10.1155/2020/1061470

使用诱导性多功能干细胞建模帕金森病

学术编辑器:Sarnowska安娜
收到了 09年2019年8月
修改后的 08年2月2020年
接受 2020年2月15日
发表 2020年3月12

文摘

帕金森病(PD)是第二个最常见的神经退行性疾病。PD在细胞水平上的分子机制涉及氧化应激、线粒体功能障碍,自噬,轴突运输,存在炎症。诱导多能干细胞(万能)与特定的遗传背景能够定向分化为多巴胺能神经元。基于万能细胞模型研究帕金森病的分子机制的有力工具。则用于PD的研究主要从患者携带突变-核蛋白α(SNCA),富亮氨酸重复激酶2 (LRRK2),PTEN-induced假定的激酶1 (PINK1),帕金RBR E3泛素蛋白连接酶(PARK235),细胞质蛋白质排序(VPS35在β葡糖苷酶酸()和变异GBA)。在这次审查中,我们总结了帕金森病的分子机制的进步使用iPSC模型。

1。介绍

帕金森病(PD)是第二个最常见的神经退行性疾病,它的特征是静态的震动,刚性,动作迟缓,姿势不稳定。广泛的神经元损失发生在PD患者的大脑,特别是进步在黑质致密部多巴胺能神经元的变性(1]。幸存的神经元存在包涵体(刘易斯的身体)包含α-核蛋白在中央和周边神经系统(2]。遗传因素显著PD的发病机制复杂(3]。10%遗传PD患者携带致病突变,而大多数零星的PD患者可能携带单核苷酸多态性(4]。常见的透析相关变异基因包括α-核蛋白(SNCA),富亮氨酸重复激酶2 (LRRK2),PTEN-induced假定的激酶1 (PINK1),帕金RBR E3泛素蛋白连接酶(PARK2)和胞质蛋白分拣35 (VPS35)。其中,SNCA,LRRK2,VPS35在常染色体显性形式与PD,PINK1PARK2以常染色体隐性形式与帕金森病有关。此外,全基因组关联研究已经发现大量的变异β葡糖苷酶酸(GBA)风险因素PD (5]。

在细胞水平上,PD的分子机制涉及氧化应激、线粒体功能障碍,自噬,轴突运输,存在5]。氧化应激增加产品会破坏大分子,导致线粒体功能障碍,而随后触发线粒体自噬。这些途径收敛积累和聚合的α-突触核蛋白,PD的标志。与透析相关突变基因可能在这些途径扮演多个角色,这是复杂和难以捉摸。

诱导多能干细胞的出现(万能)极大地促进了PD的研究过程的分子机制。由转移细胞类似于胚胎干细胞的细胞则OCT4、Sox2, Klf4,原癌基因(山中因素)逆转录病毒体细胞(6,7]。重新编程细胞则有多种分化潜能和自我更新的能力,类似于胚胎干细胞。更重要的是,则有一个病人的完整基因组背景,提供了一个平台,更直接研究基因突变在疾病发生的影响。公园等人第一次成功建立iPSC模型从PD患者8]。,Soldner等人则分化成神经元多巴胺(DA)(第一次9]。随后,越来越多的iPSC模型建立和分化成神经元模拟PD的表型(10]。CRISPR / Cas9系统,RNA-based核酸内切酶,可以添加/删除或修改在活细胞的基因组。根据CRISPR-Cas9 iPSC模型,系统有效地用于多种目的,如allele-specific genome-targeted淘汰赛(11和敲入12),调节内源性基因表达(13,14),和同基因的iPSC线纠正15]。建立iPSC模型,CRISPR / Cas9系统,和定向分化成神经元共同控制致病基因作为单一变量和消除表型差异引起的个人遗产,提供一个更直接的了解特定基因和帕金森病之间的关系。

在这次审查中,我们总结了当前的工作在iPSC与突变模型SNCA,LRRK2,PINK1 / Park2,VPS35,GBA。我们描述的潜力和挑战iPSC模型及其未来的发展前景。

2。-核蛋白α(SNCA)

SNCA是第一个基因家族中发现PD,编码吗α-核蛋白(PD)的核心病理标记16]。致病性SNCA报告主要包括点突变(p。A53T, p。A30P, p。E64K, p。H50Q, p。G51D和p.A53E)、重复和三倍(17,18]。突变或复制的SNCA使α-核蛋白构象变化或剂量增加,从而导致PD的发生。一式三份的SNCA在2003年首次被发现在一个美国家庭与PD (19]。迪瓦恩等人首先建立万能携带SNCA三重复制和分化细胞则在中脑多巴胺能神经元(mDA)。这些iPSC-derived多巴胺神经元成功模仿的PD表型α-核蛋白积累,没有检测到的PD患者的皮肤成纤维细胞(20.]。SNCA有关的iPSC模型主要来源于病人携带SNCA三重复制,这种模型模拟了PD的典型表现。的作用α-核蛋白在DA神经元来自SNCA三倍则是描绘在图1

2.1。氧化应激

一式三份的SNCAiPSC-derived DA神经元增加了2倍α-核蛋白蛋白质含量(20.信使rna水平[]和6倍增长21]。观察到的PD特性SNCA三倍iPSC-derived mDA神经元不仅包括的积累α-核蛋白的内在过度氧化应激标记和peroxide-induced氧化(22]。在环境毒素或氧化应激条件下,SNCA三倍iPSC-derived神经干细胞具有较高的脆弱性和氧化应激的敏感性增加。重要的是,这种表型可以逆转敲门内生α-核蛋白(23]。其他的研究已经发现,即使是小剂量的α-核蛋白足以诱发大量的活性氧。由此产生的ROS,自由金属离子依赖性,是诱导的低聚物α-核蛋白而不是纤维(17]。增加氧化应激导致神经元(microrna的不平衡18),这是有害的神经系统(24]。此外,不同的氧化应激信号分子产生不同影响SNCA三重iPSC-derived DA神经元。锰的浓度和时间增加细胞内ROS /氮物种,而鱼藤酮引起的增加细胞内脂质过氧化(isoprostane) [25]。值得注意的是,在SNCA三倍iPSC-derived皮质神经元,α发现-核蛋白诱导内质网应激通过激活的蛋白质反应IRE1 (UPR)α/ XBP1轴[26]。

2.2。核的毒性

在生理情况下,少量的α-核蛋白是局部核的神经细胞(27]。当受到氧化应激,核外α-核蛋白是由水解酶裂解。大片段留在细胞质中增加压力诱导细胞死亡,和小片段c端地区把从细胞质细胞核(28,29日]。在体外在活的有机体内实验表明,α-核蛋白可以绑定到染色质(28)和激活DNA损伤反应(30.]。另一个最近的研究表明,错误折叠α-核蛋白打破了基因组DNA链通过打开一个DNA尼克。这个DNA损伤可以与铁离子协同,促进的死亡SNCA三倍iPSC-derived神经祖细胞(31日]。此外,α-核蛋白可能诱发神经毒性通过加速细胞周期(32]。一项研究使用了一个“半自然的”方法,延长培养时间诱导衰老。从患者神经元SNCA三倍较早开发的万能和更快的核衰老表型,包括核折叠以及核标记hp1增加γ和h3k9me331日]。因此,α-核蛋白可能调解核毒性损害基因组完整性和加速衰老SNCA三倍iPSC-derived神经元细胞核。

2.3。线粒体毒性

高通量分析显示SNCA三倍iPSC-induced DA神经元存在线粒体形态变化和线粒体膜电位下降33]。的转录组分析提纯SNCA三倍iPSC-derived DA神经元微扰与线粒体功能相关的基因表达。这是符合观察线粒体损伤表型(34]。动物和在体外实验表明,致病性β-sheet-richα-核蛋白寡聚物是优先本地化比野生型线粒体α-核蛋白,积累α-核蛋白存款调节线粒体功能障碍(35]。在SNCA三倍iPSC-derived DA神经元,α-核蛋白(1)诱发ATP合酶β子单元和线粒体脂质结合,打开毛孔渗透转换(36];(2)结合内质的reticulum-mitochondrial结合蛋白VAPB,扰乱VAPB-PTPIP51链放宽内质的reticulum-mitochondrial协会,Ca2 +体内平衡和线粒体ATP生产(37];和(3)与线粒体外膜上的暴露心磷脂结合,增加心磷脂的曝光时间。长期暴露的心磷脂促进重折叠的α合成纤维和启动招聘LC3的线粒体和线粒体自噬38]。超表达ATP-dependent CLP蛋白酶可以减少α-synuclein-induced线粒体氧化应激,抑制α-核蛋白s129磷酸化积累,促进神经元形态学通过增加恢复超氧化物dismutase-2水平(39]。

2.4。溶酶体功能障碍

聚合α-核蛋白增强自噬活动来满足它的需要降解[40),而过度α-核蛋白可以调节溶酶体的病理表现41]。葡糖脑苷脂酶和α-核蛋白组成一个双向致病性循环synucleinopathy [42]。一项研究表明SNCA三倍iPSC-derived mDA神经元,积累α-核蛋白扰乱RAB1a-mediated水解酶通过异常交通和减少溶酶体功能与GM130 cis-Golgi-binding因素。超表达RAB1a恢复高尔基体的结构,提高水解酶交通和活动,并减少病态α-核蛋白在患者神经元43]。与这些研究结果一致,另一项研究表明,SNCA三倍iPSC-derived DA神经元,α-核蛋白是减少noninhibitory小分子β葡糖脑苷脂酶(GCase)足以扭转下游细胞病,包括水解酶的成熟和扰动的溶酶体功能障碍(44]。此外,SNCA三倍导致过剩α-核蛋白损害iPSC-derived巨噬细胞的吞噬作用。和iPSC-derived巨噬细胞退化α-核蛋白通过阻断溶酶体和蛋白酶体路径(45]。

2.5。轴突功能障碍

轴突运输依赖于微管和运动蛋白(驱动蛋白和动力蛋白),这是维持神经细胞内稳态的基础(46]。动物研究表明,synucleinopathy始于突触终端(47- - - - - -49]。轻微的超表达的变异α-核蛋白寡聚物大大降低微管稳定和削弱神经突网络形态(50]。进一步研究证实,有毒的酸性c端地区α-核蛋白原纤维的基本中部地区与τ,干扰Tau-promoted微管装配(51,52]。在SNCA三倍的万能,寡聚物的α-核蛋白搬迁使用运输监管蛋白质Miro1 KLC1,τ,影响线粒体顺行轴突运输。此外,高水平的的存在α-核蛋白导致轴突密度减少和结构iPSC-derived神经元的突触退化(53]。

3所示。体内基因LRRK2富亮氨酸重复激酶2 ()

LRRK2是一种蛋白质与双酶功能(GTPase和丝氨酸苏氨酸激酶),存在于二聚作用的形式和结合各种细胞器膜调节细胞骨架(54]。LRRK2参与自噬、免疫和其他生理功能。的LRRK2G2019S突变体内基因LRRK2增强激酶活性的影响,和第一LRRK2则是成立于2012年55]。从今以后,LRRK2iPSC模型携带突变G2385R [56],R1628P [57],N551K [58],S1647T [59)也成立。iPSC-derived神经元的体内基因LRRK2的角色是描绘在图2

3.1。蛋白质内稳态

LRRK2与α-核蛋白。增加α-核蛋白中被发现LRRK2G2019S iPSC-derived神经元(60]。体内基因LRRK2的一项研究显示,能够修改α-核蛋白病理学,的存在LRRK2G2019S增强内生的积累α-核蛋白时间的方式,加快神经元变性,LRRK2删除降低聚合(61年]。在人类神经元来自LRRK2G2019S万能,LRRK2人类preformed-fibril G2019S内化迅速重组,触发的积累内生表示α-核蛋白。体内基因LRRK2这表明G2019S增加的形成α-核蛋白聚集在患者神经元来自万能(61年]。此外,体内基因LRRK2哒表明抑制剂可以减少神经退化与异常有关α-核蛋白积累(62年]。

3.2。神经元分化

LRRK2突变影响神经元分化的能力。刘等人发现iPSC-derived神经干细胞LRRK2G2019S显示,克隆扩张和神经元分化passage-dependent缺陷(55]。在另一项研究由Bahnassawy et al .,LRRK2R1441C神经干细胞被发现受损神经元分化表型,和LRRK2R1441C-deficient神经干细胞分化的速度比野生型细胞(63年]。犹太裔等人也证明了LRRK2G2019S万能干细胞分化成DA神经元的过程中效率不高(64年]。进一步的研究在体内基因LRRK2特定角色在神经元分化是必要的。

3.3。神经元的生长和发育

在神经突伸长和dendritization LRRK2扮演的角色。的iPSC-derived感觉神经元LRRK2G2019S显示神经突缩短,减少神经突产物,microtubule-rich突聚合和钙动力学改变。体内基因LRRK2治疗激酶抑制剂可以拯救这个表型(65年]。犹太裔等人报道重要分支缺陷LRRK2G2019S iPSC-derived DA神经元(64年]。清等人发现的LRRK2G2019S iPSC-derived mDA神经元,TH-positive神经元的百分比总轴突长度大于2000μm DA神经元减少的显著降低,平均分支(12]。此外,Korecka等人最近证实,LRRK2G2019S可以导致神经元calcium-dependent表型发育不良。的LRRK2G2019S iPSC-derived mDA神经元基线ER-Ca较低2 +水平,而Ca2 +大量增加,这2 +膜去极化后缓冲能力下降。抑制ER-Ca的行动之后2 +atp酶,LRRK2G2019S iPSC-derived神经元表现出神经突崩溃表型(66年]。

3.4。线粒体功能障碍

体内基因LRRK2大约10%的化学活性蛋白质是本地化的线粒体和线粒体膜上的物质相互作用。突变LRRK2G2019S可引起线粒体形态和功能的畸变,增加线粒体数量和线粒体碎片,线粒体膜电位下降。这线粒体缺陷被发现的LRRK2沃尔特G2019S iPSC-derived神经上皮干细胞的研究(67年]。体内基因LRRK2致病性突变可以引起线粒体基因组损伤和线粒体运输相关PD发病机理(68年]。在桑德斯等人的研究中,iPSC-derived DA神经元携带LRRK2G2019S或R1441C突变显示高万能神经元的线粒体DNA (mtDNA)水平相比正常iPSC-derived神经元。然而,没有发现mtDNA损害iPSC-derived DA神经元,修复的锌指核酸酶(68年]。随后,另一项研究证实,体内基因LRRK2突变削弱mtDNA kinase-dependent的方式。体内基因LRRK2的抑制激酶活性可以阻止或逆转mtDNA损伤(69年]。体内基因LRRK2值得注意的是,影响线粒体运输和损害线粒体间隙。体内基因LRRK2在正常生理条件下,形成了一个复杂的外部线粒体膜蛋白米罗。它促进米罗切除和链接PINK1帕金米罗。致病性LRRK2G2019S扰乱了这个途径,逮捕受损的线粒体在细胞骨架的运动和延迟线粒体自噬70年]。另一项研究也证实了线粒体分布和体内基因LRRK2贩卖异常突变体神经元,伴随着显著低内生NAD +水平和减少蛋白质赖氨酸脱乙酰酶活动,导致生物能源缺陷(71年]。

3.5。突触囊泡运输

体内基因LRRK2的丝氨酸/苏氨酸激酶活性在突触囊泡的内吞作用是很重要的。LRRK2G2019S选择性地削弱突触囊泡的内吞作用iPSC-derived腹侧中脑神经元(包括DA神经元)。体内基因LRRK2的抑制激酶活性可以救援缓慢的内吞作用。通过转录组和蛋白质组学分析,Connor-Robson等人发现LRRK2G2019S iPSC-derived DA神经元的高度失调的内在循环通路(72年]。结果显示,各种关键的内吞作用的蛋白质在文化表达下调LRRK2R1441C iPSC-derived DA神经元细胞,如内皮细胞因子》,dynamin-1和各种Rab蛋白质。他们的研究证实,clathrin-mediated内吞作用是破坏73年]。最近,阮和体内基因LRRK2 Krainc报道,与auxilin互动,共同损害clathrin-mediated突触囊泡的内吞作用。他们发现生长素、体内基因LRRK2磷酸化的干扰网格蛋白,导致突触囊泡内吞作用的破坏和减少突触囊泡密度LRRK2iPSC-derived DA神经元(74年]。LRRK2-mediated受损突触囊泡内吞作用导致氧化多巴胺的积累,在iPSC-derived DA神经元产生介导的毒性作用,如减少葡糖脑苷脂酶的活动。

3.6。自噬

体内基因LRRK2通常由蛋白酶体和溶酶体降解途径。即使伴娘自噬(CMA)途径促进体内基因LRRK2的溶酶体降解。LRRK2G2019S被发现参与积累和释放的增加α-核蛋白(75年]。LRRK2G2019S iPSC-derived mDA神经元表现出更高水平的LC3 II比正常控制细胞系,这代表了基底的自噬水平。这可能是由于不正常的自噬小体间隙。令人惊讶的是,吞噬的表型异常,神经损伤LRRK2G2019S iPSC-derived DA神经元可以获救的裂变dynamin-related蛋白1 (DRP1)肽抑制剂p110 [76年]。这表明线粒体hypermutation参与autophagy-associated PD机制。此外,leucine-tRNA合成酶(LRS)结扎亮氨酸tRNA亮氨酸和激活雷帕霉素复杂1 (mTORC1)。何鸿燊的差别等人表明对这些LRS能增强自我吞噬。LRRK2磷酸化LRS DA神经元的水平LRRK2G2019S和LRS磷酸化受损自噬通过蛋白质折叠错误和内质网应激介导LRS编辑缺陷(77年]。

3.7。神经免疫炎症

体内基因LRRK2近年来,被发现参与的免疫途径PD在中央和边缘系统,包括先天免疫和后天免疫(78年]。LRRK2是高度表达的免疫细胞如巨噬细胞和小胶质细胞。洛佩兹de Maturana等人发现LRRK2突变的影响α-核蛋白法规的规定,损害NF -κ经典的信号。LRRK2沉默了α突变的神经元和NF - -核蛋白的水平κB失调突变体神经元。此外,NF -κB失调在突变被发现神经元(79年]。此外,布斯等人发现,基质金属蛋白酶2 (mmp2)和转化生长因子β1 (TGFβ1)在细胞质中表达下调LRRK2G2019S iPSC-derived星形胶质细胞,这表明LRRK2G2019S突变可能会干扰星形胶质细胞(80年]。此外,LRRK2突变导致加速生产LRRK2iPSC-derived单核细胞,在经典之中CD14减少+CD16+单核细胞的子集。这些发现单核细胞的迁移能力受损。体内基因LRRK2这些结果表明,在造血作用中起着关键作用,支持PD(免疫力的致病作用81年]。

4所示。PTEN-Induced激酶1 (PINK1)和帕金RBR E3泛素蛋白连接酶(PARK2)

PTEN-induced激酶1 (PINK1)是一种线粒体丝氨酸/ threonine-protein激酶编码的PINK1基因。它是参与调节线粒体退化和保护细胞免受压力。帕金,产生的PARK2基因,参与维护线粒体功能和完整性。PINK1和帕金在iPSC-derived神经元的作用是描绘在图3

4.1。氧化应激

初步研究表明,PINK1不足引起的胚胎干细胞多巴胺神经元表现出明显的氧化应激的特点,这些神经元死亡通过线粒体凋亡通路(82年]。这个观察表型PINK1iPSC-derived神经细胞群。Imaizumi等人进行了一项研究PARK2iPSC-derived神经元,观察与氧化应激水平增加类似的表型。此外,Nrf2通路被激活PARK2iPSC-derived神经元(83年]。另一项研究显示高易感性rotenone-induced线粒体的压力PARK2iPSC-derived DA神经元。这种表型可以防止衣架抑制钙通道拮抗剂。这些研究表明氧化应激诱导的神经元通过PINK1和帕金84年]。

4.2。线粒体功能障碍

IPSC-derived mDA神经元携带PINK1PARK2突变表明PD病理线粒体功能障碍(85年]。库珀等人观察ROS升高,降低线粒体呼吸、质子漏,受损的线粒体运动PINK1iPSC-derived神经元(86年]。由等人发现,在突变体的存在PINK1,mtDNA拷贝数增加和PGC-1 upregulationα在iPSC-derived DA神经元发生,这意味着PINK1线粒体功能受损由于损失函数(87年]。在Vos et al。”年代研究中,脂肪酸合成酶(Fasn)的活动PINK1iPSC-derived DA神经元减少,导致棕榈酸酯的水平降低,增加心磷脂(CL)的水平。重要的是,心磷脂的增加可以促进泛醌之间的电子转移和复杂我拯救PINK1不足(88年]。

帕金在线粒体也起着重要的作用。PARK2iPSC-derived mDA神经元线粒体功能障碍,也表现出了异常的线粒体形态、线粒体体积分数下降,受损的线粒体内稳态。但这些表型真皮成纤维细胞和细胞则没有观察到89年]。这种特异性神经元mitochondrial-damaged表型是与先前的研究一致83年]。最近的研究表明,帕金与Stomatin-like蛋白2 (SLP-2),它结合线粒体呼吸链的装配和功能的蛋白质。帕金损失导致复杂的我活动降低,增加线粒体分裂,而过度的SLP-2可以挽救这些表型(90年,91年]。值得注意的是,PARK2突变被发现影响细胞的能量代谢节律。最近的一项研究由Pacelli等人表明万能携带PARK2突变及其分化神经干细胞被观察到严重的生物能源振荡模式的阻尼(92年]。

4.3。线粒体自噬

PINK1发起ubiquitin-mediated线粒体自噬通过帕金(93年]。线粒体膜电位时丢失,PINK1被蛋白酶体降解和积累受损的线粒体而帕金PINK1-dependent的方式运送到线粒体,ubiquitinating线粒体外膜蛋白(更多的大分子量的蛋白质)94年,95年]。受损的线粒体是贴上polyubiquitin磷酸化和通过线粒体自噬保护神经元。一项研究表明PINK1万能,内生帕金和overexpressing帕金不足以诱导线粒体自噬后线粒体膜电位的损失(94年]。另一项研究发现,在PINK1iPSC-derived DA神经元线粒体招聘压力条件下受损,甚至overexpressing帕金。但是野生型PINK1的表达可以拯救parkin-localized受损的线粒体功能障碍(87年]。这两个研究显示PINK1在线粒体自噬的重要作用。此外,哦等人发现S-nitrosylation PINK1 Cys568网站的会使其激酶活性,和S-nitrosylated PINK1降低线粒体膜帕金易位,扰乱iPSC-derived神经元线粒体自噬(96年]。此外,还观察到线粒体自噬是iPSC-derived DA神经元的受损PARK2突变(97年]。这意味着PINK1的重要性和帕金在线粒体自噬通路。

4.4。多巴胺的监管

帕金的另一个重要的功能是调节多巴胺的神经元。细胞质中的高水平的多巴胺会导致增加神经元毒性代谢产物,如6-hydroxydopamine [78年]。PARK2iPSC-derived DA神经元显示减少多巴胺吸收和自发的多巴胺释放增加。所以,帕金认为控制多巴胺的利用率在人类mDA神经元通过增加多巴胺神经传递的准确性和抑制多巴胺氧化98年]。最近的一项研究发现,多巴胺D1受体的激活PARK2iPSC-derived中脑神经元引起大节奏暴发的自发兴奋性突触后电流(EPSCs) [99年]。重要的是,钟山等人发现,帕金过度,但不是PD-causing突变,废除了振荡活动的病人的神经元。这些结果表明,PARK2突变显著提高异常的调节多巴胺的监管在中脑神经元突触前谷氨酸传播(99年]。

4.5。微管系统

微管运输所需的细胞器在正常生理条件下产物。先前的研究已经表明,帕金债券与高亲和力[微管One hundred.,101年)和稳定微管的毒性(102年]。任正非等人发现PARK2iPSC DA神经元显著减少复杂性(103年]。他们使用了微管解聚剂秋水仙碱模仿的作用PARK2突变通过减少控制神经元,神经突的长度和复杂性而microtubule-stabilizing药物紫杉醇模仿的作用帕金过度提高parkin-deficient神经元的形态。这些结果表明,帕金保持了人类神经元通过稳定微管形态的复杂性。Cartelli等人进行的另一项研究报道,帕金缺陷引起的稳定微管碎片和加速乙酰化作用PARK2突变iPSC神经元(104年]。这些研究证实,帕金扮演监管角色在微管系统神经元衰老。

5。VPS35 Retromer复杂组件(VPS35)

VPS35编码空泡的蛋白分类35岁,这是一个核心组件的复杂的逆转。VPS35本地化树突棘,参与蛋白质的回收从核内体/溶酶体trans-Golgi网络以及等离子体的核内体膜(105年]。前两个独立研究确定VPS35c。1858G>A (p.Asp620Asn) in the hereditary PD family in Switzerland [106年)和奥地利PD的家庭(107年]。随后,突变,如c。1570 c > T (p.Arg524Trp)和c。94年6C>T (p.Pro316Ser) were also reported. Munsie et al. first established a dopamine neuron model with iPSCs sourced from patients withVPS35p.D620N。他们发现这个功能丧失的突变改变了运输episome-dependent神经递质受体的突触。这种突触功能障碍可能发生慢性病理生理压力的神经电路(108年]。目前,很少有研究iPSC模型基础上VPS35。因此有必要进一步研究的致病机制VPS35在iPSC模型。

6。β葡糖苷酶酸(GBA)

GBA编码一个溶血性水解酶β葡糖脑苷脂酶(GCase)。GCase降解葡糖神经酰胺(GluCer)葡萄糖和神经酰胺在溶酶体。的GBA是最强的风险基因突变对PD (109年]。常见的GBA突变是N370S和L444P。Woodard等人首先建立的GBA从single-oval iPSC-derived DA细胞携带的双胞胎GBAN370S突变(110年]。GBA iPSC-derived神经元的作用是描绘在图4

6.1。蛋白质内稳态

Woodard等人发现,GBA酶活性较低α-核蛋白水平明显升高(110年]。另一个独立研究表明,在GBAiPSC-derived DA神经元,GBA突变导致糖苷酶活性下降和存储醣脂类基质(111年]。相应地,α-核蛋白聚集发生在iPSC-derived mDA神经元接触GCase抑制剂。金等人的研究表明,缺乏GCase减少生理上的聚合形成α-核蛋白四聚体和增加的存在α-核蛋白单体,导致神经毒性。重要的是,过度GCase逆转这个过程(112年]。此外,glucosyl鞘氨醇(GlcSph)和鞘氨醇(Sph),脂质天然保湿因子家族的成员,强有力地促进了病态的积累α-核蛋白在GBAiPSC-derived神经元(113年]。一项研究表明,GBA突变降低GCase的功能和增加的积累α-核蛋白,它可能通过破坏autophagolysosomal途径α-核蛋白(114年]。聚合的增加α-核蛋白反馈抑制葡糖脑苷脂酶的活性,这种双向循环导致的发展GBA相关的PD。

6.2。帕金森病的病理机制由GBA突变

在iPSC-derived DA神经元携带GBA-N370S突变,GBA突变破坏内质网GCase的生理结构,激活的蛋白质反应(UPR)和调节内质网压力。此外,GCase损害的活动自噬/溶酶体系统功能和扩展了溶酶体室,使多巴胺神经元容易受到个人识别。没有增加α-核蛋白水平观察神经元iPSC-derived DA神经元的不突变GBA-N370S,但增加细胞外的水平α-核蛋白释放在文化114年]。另一项研究也报道了GBAiPSC-derived mDA神经元自噬系统受损。值得注意的是,GBA突变体神经元也显示钙稳态失调,增加易感性calcium-induced应激反应(115年]。重要的是,减少DA水平输送和VMAT2表达式所示PD神经元,这可能有助于减少DA在这些细胞吸收111年]。此外,相关和GlcSph积累已被检测到GBAko万能神经元线粒体(116年]。在SNCAiPSC-derived神经元,相关水平和降低神经酰胺水平是升高(43]。总之,突变GBA可以通过内质网应激诱导神经元PD表型,自噬/溶酶体功能障碍和钙稳态。

7所示。iPSC的神经元传输模型确认α-核蛋白

α关键因素触发PD -核蛋白,prion-like方式繁殖细胞之间的蛋白质聚集绑定硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(HSPGs)在细胞表面传输病理过程(117年]。外生的α-核蛋白原纤维组装与硫酸乙酰肝素蛋白聚糖(118年)以及膜蛋白在细胞表面。这些纤维是由细胞内的内吞作用,参与细胞内直接和逆行运输(119年]。外生α促进内源性-核蛋白作为模板α从生理-核蛋白α螺旋不溶性beta-fold构象,聚合蛋白酶K-resistant寡聚原纤维。这种致病过程中不仅神经细胞之间也存在脑区神经系统相互连接的地方。

iPSC-derived人工神经元模型的理论证实了的传播α神经元之间的-核蛋白。山崎裕等人证明了传播种子的特点α-核蛋白不溶性单体(120年,121年]。Gribaudo等人建立了一个网络的健康人类神经元在大脑皮层神经元网络的微流体设备发现α-核蛋白中神经元之间增加剂量,structure-dependent方式,引发PD-like病理学(122年]。此外,Surguchev等人表明,细胞外α-核蛋白与细胞膜受体如细胞质蛋白质相互作用,淋巴细胞激活基因3,toll样受体2。促进细胞信号α-核蛋白不同细胞之间传播(123年]。上述结果共同表明,神经元的家族性帕金森症患者由基因突变引起的,他们的α-核蛋白病理有足够的种子特征导致的大脑年龄相关性传播人类神经元变性。

8。的潜力和挑战iPSC技术

考虑到致癌基因的插入原癌基因和Klf4增加突变的风险和转换成癌细胞,后续研究各种改善重组方法。Soldner等人使用Cre重组酶重组后清除病毒和成功获得factor-free万能更密切相关的人类胚胎干细胞(9]。其他研究使用安全向量进行更有效的重组过程,如非整合向量(124年- - - - - -126年),综合修改mrna (127年- - - - - -129年),细胞膜渗透性的蛋白质(130年,131年),和小分子化合物(132年- - - - - -134年]。这些技术最大化基因组完整性和降低转换到癌症的风险。

全基因组关联分析,整个外显和转录组的测序,发现越来越多的疾病基因组学和蛋白质组学,大大促进了神经退行性疾病的研究135年]。在单基因疾病,则忠实地模仿疾病表型验证新提出的疾病机制(136年)和屏幕治疗因素(137年]。在多基因疾病,iPSC库可以用来分析snp和药物反应差异的影响(138年]。iPSC技术和基因编辑系统获取和target-editing个人基因组是潜在的非常个性化的治疗策略。

多巴胺的补充和手术是临床治疗PD的第一行减缓疾病的进展(1]。细胞移植胎儿中脑最初用于试图治疗PD患者(可怜的内源性神经修复的139年- - - - - -141年]。然而,这种技术有不可避免的局限性,如胚胎组织的不均匀的生产和处理过程中基因组DNA损伤的易感性141年]。万能的优势避免基因损害,使患者适应HLA,高均匀性的细胞移植,和高比例的多巴胺能神经元,这也是一个理想的细胞替代疗法(127年,142年]。此外,cell-sorting技术已经开发减少posttransplantation癌症风险,目标针对细胞标记CORIN [143年),中枢神经系统微血管内皮标记LRTM1 [144年),并激活白细胞粘附分子(ALCAM)抗体145年]。这些cell-sorting技术维持移植细胞的质量,提高细胞替代疗法的安全性和有效性。多个动物试验表明,iPSC移植是成功和安全治疗神经系统疾病(146年- - - - - -148年),和人类帕金森病的临床试验正在使用万能和观察149年- - - - - -151年]。因此,iPSC治疗有望成为一种很有前途的PD患者的方法。在不久的将来,使用万能干细胞治疗的临床结果帕金森病是值得期待的。

由于神经系统不是一个单一的神经元,但一个复杂的文化系统,使用相对简单的2 d磁盘中的神经元建模已经无法满足进一步需要探讨PD。各种方法培养3 d神经器官一直在探索,如自旋Ωmicrorotating生物反应器的构建大脑器官(前脑、中脑和下丘脑)[152年),SFEBq方法产生“小脑”[153年),和人类大脑皮层的生产领域154年]。最近,3 d器官培养的方法在使用双重信号的神经圆花饰SMAD和FGF极大地增强大脑瀑样的再现性(155年]。这些3 d模型基于iPSC-derived神经元将帮助人们更实立体镜地理解PD的发生和发展。

PD和病人的年龄年龄相关性,经常发生。而iPSC导数是年轻和文化时期很短。有研究报道,端粒的长度则大大增加的重编程过程中(156年,157年]。此外,重组干细胞还重新排列的线粒体网络和较低的氧化应激表型(158年]。这反映了万能的年轻的性能不同于老化细胞的表型。研究小组已经建立iPSC模型表达衰老标记,如progerin [159年和星形胶质细胞160年]。目前,它是一个挑战来模拟神经元年龄增长,更紧密地与PD集成老化系统。

9。结论

则为建模和PD研究提供一个新的平台。而改善仍需在iPSC-based疾病建模,这种技术提供了一个前所未有的模拟疾病的能力在体外特定的disease-relevant细胞类型。人类iPSC技术提供了一个更预测临床前研究平台和提高临床试验的成功,有可能加深我们对疾病的发病机制的理解。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Xinchao胡锦涛和毛使团同样这项工作。

确认

支持基金如下:中国国家重点研发项目(批准号2017 yfa0105000)和中国国家自然科学基金委媒体博士徐(批准号81530037和81530037),昌河史(批准号81771290)、博士和博士使团毛(批准号81901300)。

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