Po co neurobiologom indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste?
STRESZCZENIE
Ewa Liszewska*
rzeprogramowywanie komórek somatycznych stworzyło możliwość uzyskania do badań
Ptrudnodostępnych komórek ludzkich, np. różnych rodzajów neuronów. Niemal natych-
Jacek Jaworski* miastową konsekwencją pojawienia się tej technologii było opracowanie licznych modeli
komórkowych chorób układu nerwowego. Są one wykorzystywane zarówno do poszuki-
wania mechanizmów komórkowych tych schorzeń, jak i opracowywania nowych strategii
Międzynarodowy Instytut Biologii Molekular-
farmakologicznych. Przeprogramowane komórki stanowią również potencjalną alternatywę
nej i Komórkowej, Warszawa
dla zarodkowych komórek macierzystych w transplantologii. Niniejszy artykuł przedstawia
najistotniejsze dokonania w wykorzystaniu technologii przeprogramowywania komórek w
*
Międzynarodowy Instytut Biologii neurobiologii, jednocześnie wskazując na ograniczenia tej metodologii i spodziewane kie-
Molekularnej i Komórkowej, ul. Trojdena 4, 02- runki jej rozwoju.
109 Warszawa; tel.: [phone], e-mail:
[e-mail], [e-mail]. WPROWADZENIE
pl
Przełomowe odkrycie Yamanaki [1,2], nagrodzone Nagrodą Nobla w dzie-
dzinie fizjologii lub medycyny w 2012 roku, pokazało iż los zróżnicowanych
Artykuł otrzymano 7 marca 2013 r.
komórek somatycznych nie jest ostatecznie zdefiniowany i można go zmieniać.
Artykuł zaakceptowano 22 marca 2013 r.
Przyczyniło się także do dynamicznego rozwoju technologii reprogramowania
Słowa kluczowe: indukowane neurony, indu- komórek, dając tym samym dostęp do komórek, które wcześniej były niedostęp-
kowane pluripotencjalne komórki macierzyste,
ne lub trudno osiągalne, jak na przykład ludzkie neurony [3-6]. Bezpośrednią
choroby układu nerwowego, reprogramowa-
konsekwencją tego nowego nurtu badań było uzyskanie licznych linii induko-
nie komórek, medycyna regeneracyjna, mode-
wanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC, ang. induced pluri-
lowanie chorób.
potent stem cells,) oraz indukowanych neuronów (ang. induced neurons, iN) od
pacjentów z różnymi chorobami układu nerwowego, np. chorobami neurode-
Wykaz skrótów: AD  choroba Alzheimera;
ALS  stwardnienie zanikowe boczne; BAM
generacyjnymi, tj. stwardnieniem zanikowym bocznym (ALS, ang. Amyotrophic
 Brn2, Ascl1, Myt1l; ESC  zarodkowe ko-
lateral sclerosis), chorobÄ… Parkinsona (PD, ang. Parkinson s disease), Alzheimera
mórki macierzyste; HD  choroba Hunting-
(AD, ang. Alzheimer s disease) i Huntingtona (HD, ang. Huntington s disease) czy
tona; iN  indukowane neurony; iNSC  in-
neurorozwojowymi, np. zespołem łamliwego chromosomu X, zespołem Retta.
dukowane neuronalne komórki macierzyste;
Te linie iPSC posłużyły do podjęcia prób modelowania patologii układu ner-
iPSC  indukowane pluripotencjalne komórki
macierzyste; iPSC-N  komórki neuronal- wowego w oparciu o uzyskane z nich neurony, hodowane in vitro. Technologia
ne uzyskane w wyniku różnicowania iPSC;
reprogramowania zrodziła także nadzieję na wyjście z impasu etycznego medy-
OKSM  Oct4, Klf4, Sox2, c-Myc; PD  cho-
cyny transplantacyjnej opartej o zarodkowe komórki pluripotencjalne. Zarówno
roba Parkinsona; RTT  zespół Retta; SMA
modelowanie chorób, jak i projektowanie terapii komórkowej wykorzystującej
 rdzeniowy zanik mięśni; UN  układ ner-
iPSC rozwijają się obecnie w błyskawicznym tempie i omówienie wszystkich
wowy
przykładów i dokonanych przy ich użyciu odkryć przekracza ramy tego artyku-
Podziękowania: Badania prowadzone przez łu przeglądowego. Dlatego naszym celem było przedstawienie tylko najciekaw-
autorów niniejszej pracy przeglądowej
szych przykładów takich badań w celu przybliżenia czytelnikom możliwości,
sÄ… finansowane z grantu ERA-NET NEU-
jakie stworzyła technologia reprogramowania i uzyskiwania ludzkich komórek
RON/06/2011  AMRePACELL (współfi-
nerwowych zarówno do badań, jak i celów terapeutycznych. Jednocześnie sta-
nansowany przez Narodowe Centrum Badań
raliśmy się wykorzystać te przykłady, aby uświadomić czytelnikom Postępów
i Rozwoju) (JJ) oraz w ramach programu HO-
MING PLUS (HOMING PLUS/2012-5/6) Fun- Biochemii, jakie wyzwania stoją przed tym relatywnie nowym polem badań i
dacji na Rzecz Nauki Polskiej współfinanso- gdzie przebiega granica między naszymi dzisiejszymi możliwościami i nadzieja-
wanego ze środków Europejskiego Funduszu
mi, jakie wzbudziło w środowisku naukowym odkrycie Yamanaki [2]. Wprowa-
Rozwoju Regionalnego w ramach Programu
dzenie do naszego artykułu stanowi krótkie omówienie podstawowych infor-
Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka (EL).
macji dotyczących uzyskiwania iPSC oraz ich różnicowania do neuronów oraz
Autorzy dziękują także dr Iwonie Cymerman
metod bezpośredniej produkcji iN.
za komentarze do manuskryptu.
OD DOJRZAA
YCH, ZRÓŻNICOWANYCH KOMÓREK
SOMATYCZNYCH DO NEURONÓW
Obecnie komórki neuronalne możemy uzyskać z komórek somatycznych trze-
ma różnymi sposobami: (1) w wyniku reprogramowania pośredniego, polegają-
cego na przekształceniu komórki somatycznej do indukowanej pluripotencjalnej
komórki macierzystej, a następnie zróżnicowaniu jej do neuronu (iPSC-N); (2)
na drodze reprogramowania bezpośredniego, zwanego również transdyferen-
cjacją, polegającego na przekształceniu komórki somatycznej do neuronu (iN),
z pominięciem etapu pluripotencji; oraz (3) poprzez przekształcenie komórek
164 www.postepybiochemii.pl
gólnych klas neuronów [10,11]. Wykazano, iż zastosowanie
zmodyfikowanych warunków hodowli in vitro, polegające
na stosowaniu różnych koktajli odpowiednich czynników
wzrostowych, pozwala uzyskać szerokie spektrum rodza-
jów komórek neuronalnych, w tym neurony glutaminer-
giczne (pobudzajÄ…ce), GABAergiczne (hamujÄ…ce), dopami-
nergiczne oraz cholinergiczne (motoryczne).
Metoda uzyskiwania iPSC-N z powodzeniem została
zastosowana do wytworzenia różnych rodzajów ludzkich
neuronów z fibroblastów pacjentów cierpiących na scho-
rzenia neuronalne [4,11-14]. Uzyskanie tych neuronów po-
zwoliło na opracowanie modeli chorób układu nerwowego
(UN), dostarczając cennego narzędzia do badania mechani-
zmów tych schorzeń [4,11-14]. Niemniej jednak stosowanie
do wprowadzenia czynników przeprogramowujących, w
tym onkogenu c-Myc, wektorów retro- i lentiwirusowych,
które losowo wbudowują się do genomu, mogąc tym sa-
Rycina 1. Schemat dostępnych metod uzyskiwania neuronów z łatwo dostęp-
mym naruszyć jego integralność, budzi obawy przed zasto-
nych komórek somatycznych. (A) przeprogramowanie pośrednie do iPSC-N z
wykorzystaniem iPSC, (B) przeprogramowanie bezpośrednie (transdyferencja- sowaniem iPSC w terapii komórkowej i medycynie regene-
cja) do indukowanych neuronów (iN), (C) przeprogramowanie bezpośrednie
racyjnej ze względu na towarzyszące mu ryzyko nowotwo-
do indukowanych neuronalnych komórek macierzystych (iNSC); wyjaśnienia w
rzenia. Ponadto, jeśli któraś z komórek wykorzystanych do
tekście.
transplantacji nie uległaby zróżnicowaniu i utrzymała swój
somatycznych do neuronalnych komórek macierzystych
pluripotencjalny status, mogłoby to doprowadzić do roz-
(iNSC, ang. induced neuronal stem cells) i w kolejnym etapie
woju potworniaków, czyli guzów składających się z komó-
zróżnicowanie ich do neuronu (Ryc. 1).
rek wywodzących się z trzech listków zarodkowych.
Dotychczas najczęściej stosowana jest metoda najstarsza, Wykorzystując fakt, że komórkowo specyficzne czynni-
polegająca na wykorzystaniu reprogramowania pośrednie- ki transkrypcyjne są głównymi regulatorami losu komórek
go. Pierwsze mysie iPSC otrzymano, wprowadzając do fi- podczas rozwoju zwierząt, podjęto próby bezpośredniego
broblastów, przy pomocy wektora retrowirusowego, cztery przeprogramowania komórek, czyli przekształcenia jednej
geny (w skrócie OKSM): Oct4 (ang. octamer-binding trans- komórki somatycznej w zupełnie inną komórkę somatycz-
cription factor 4), Klf4 (ang. Krueppel-like factor 4), Sox2 (ang. nÄ…. Pierwsze badania przeprowadzone przez Andersona i
sex determining region Y-box 2) i c-Myc [2]. W tak zmodyfiko- współpracowników wykazały, że nadprodukcja neurogeni-
wanych komórkach ekspresji zaczęły ulegać geny, normal- ny 1 (Ngn1) w dermomiotomie kurzego zarodka indukuje
nie aktywne tylko w komórkach węzła zarodkowego, w po- ekspresję genów odpowiednich markerów w tych komór-
czątkowych stadiach rozwoju zarodkowego. Rok póz
niej tą kach [15]. Następnie pojawiły się doniesienia, że nadpro-
samą metodą udało się otrzymać pluripotencjalne komórki dukcja białka Pax6 (ang. paired box 6), charakterystyczne-
macierzyste z ludzkich komórek skóry [1]. Spośród genów go dla neuronalnych komórek macierzystych, w ssaczych
użytych do reprogramowania OCT4 i SOX2 uważa się za komórkach glejowych nadaje im cechy neuronalne [16].
kluczowe w utrzymywaniu pluripotencji, rozumianej jako Natomiast wprowadzenie genów kodujących Ascl1 (ang.
zdolność do generowania wszystkich rodzajów komórek Achaete-scute homolog 1), Ngn2 (neurogenina 2) i Dlx2 (ang.
wywodzących się trzech listów zarodkowych. Faktycznie, distal-less homeobox 2) do astrogleju noworodków myszy
zarówno mysie, jak i ludzkie iPSC pod wieloma wzglę- prowadziło do zmian morfologicznych i funkcjonalnych
dami (np. morfologii, zdolności do proliferacji i ekspresji tych komórek, które nabrały zdolności do generowania po-
genów) przypominały zarodkowe komórki macierzyste tencjałów czynnościowych oraz tworzenia funkcjonalnych
(Ryc. 2). Ponadto, można je było różnicować we wszystkie połączeń synaptycznych [17]. Z opisanych badań wynikało,
rodzaje komórek charakterystyczne dla trzech listków za- że indukcja ekspresji czynników transkrypcyjnych, specy-
rodkowych, w tym takie, które morfologią oraz profilem ficznych dla neuronów, w innych komórkach somatycznych
produkowanych białek, np. Tuj1 (ang. neuron-specific class może prowadzić do wytworzenia funkcjonalnych komórek
III ²-tubulin), MAP2 (ang. microtubule associated protein 2), neuronalnych. W zwiÄ…zku z tym pojawiÅ‚o siÄ™ pytanie, co siÄ™
NeuN (ang. Neuronal Nuclei) i synapsyna, przypominały stanie, jeśli zaindukujemy ekspresję neuronalnych czynni-
neuron (Ryc. 2). Dalsze badania potwierdziły, iż komórki ków transkrypcyjnych w łatwo dostępnych komórkach, np.
iPSC-N wytwarzają funkcjonalne połączenia synaptyczne i fibroblastach? Odpowiedzi na te pytania dostarczyli Wer-
są w stanie integrować z siecią neuronalną po wszczepie- nig i jego współpracownicy [18], którzy po przebadaniu 19
niu do mózgu gryzoni [7-9]. Ponieważ neurony są bardzo genów odgrywających kluczową rolę w rozwoju neuronal-
zróżnicowaną grupą komórek zarówno w odniesieniu do nym oraz modyfikacjach epigenetycznych, zidentyfikowali
biologii komórki, jak i specyficznych funkcji pełnionych zestaw pięciu (Brn2, ang. Brain 2; Myt1l, ang. myelin transcrip-
w układzie nerwowym, ważnym aspektem różnicowania tion factor 1-like; Ascl1; Zic1, ang. Zic family member 1; Olig2,
iPSC-N stała się charakterystyka uzyskanych komórek pod ang. oligodendrocyte transcription factor 2), dzięki którym byli
względem wydzielanych neurotransmiterów i zawartości w stanie przekształcić fibroblasty myszy w neurony. Otrzy-
markerów białkowych charakterystycznych dla poszcze- mane komórki, nazwane indukowanymi neuronami, wy-
Postępy Biochemii 59 (2) 2013 165
Wydajność procesu bezpośredniego prze-
programowania, w porównaniu do me-
tody otrzymywania neuronów opartej na
reprogramowaniu pośrednim, znacznie
wzrosła, osiągając 20%, w przypadku za-
stosowania, jako materiału wyjściowego,
fibroblastów zarodkowych. Jednocześnie
skrócono czas potrzebny do otrzymania
funkcjonalnych neuronów do 2 tygodni
[18]. Zakończone sukcesem wytworzenie
mysich iN obudziło nadzieje na opracowa-
nie podobnej technologii produkcji neu-
ronów z komórek ludzkich. Liczne grupy
badawcze na całym świecie podjęły pró-
by ich otrzymania stosując koktajl genów
BAM. Okazało się jednak, że zestaw czyn-
ników wystarczający do transdyferencjacji
zastosowany u myszy był nieefektywny
w przypadku komórek człowieka. Brn2,
Ascl1 i Myt1l indukowały w tych komór-
kach jedynie syntezę markerów i morfolo-
gię neuronalną. Nie były natomiast w sta-
nie wymusić zmian funkcjonalnych. Dal-
sze badania wykazały, że do wytworzenia
ludzkich iN (hiN), oprócz BAM, niezbędne
sÄ… dodatkowe czynniki, np. NEUROD1/2
[19], ZIC1 [20] lub mikroRNA [21,22]. Po-
nadto stwierdzono, że dodanie do wy-
branych,  podstawowych genów prze-
programowujących genów kodujących
czynniki transkrypcyjne charakterystycz-
ne dla konkretnych rodzajów neuronów
dodatkowo zwiększa szansę uzyskania
populacji iN wzbogaconej np. o neurony
dopaminergiczne (wykorzystano: Ascl1;
Nurr1, ang. nuclear receptor related 1 protein;
Lmx1a, ang. LIM homeobox transcription fac-
tor 1) [23] lub motoryczne (wykorzystano:
BAM + HB9, ang. Homeobox HB9; ISL1, ang.
Lim-homeodomain protein Islet1; LHX3, ang.
LIM homeobox 3; NGN2; NEUROD1) [24].
Pierwsze hiN uzyskane metodÄ… bezpo-
średniego przeprogramowania pochodziły
z fibroblastów osób cierpiących na chorobę
Alzheimera (AD) [20]. Fibroblasty pacjen-
tów przeprogramowano przy użyciu 5
genów, pierwotnie zidentyfikowanych u
myszy: Brn2, Myt1l, Ascl1, Zic1 i Olig2. W
Rycina 2. Przykładowe zdjęcia ludzkich komórek na poszczególnych etapach różnicowania indukowa-
otrzymanych hiN zaobserwowano zabu-
nych komórek macierzystych do neuronów. (A) kolonia ludzkich iPSC; (B, C, D) lokalizacja markerów
pluripotencji w ludzkich iPSC: alkaliczna fosfataza (A), Nanog (B), Tra 1-81 (C); (E, F) ludzkie progenitory
rzonÄ… produkcjÄ… ²-amyloidu, co Å›wiadczy-
neuronalne uzyskane z iPSC w formie rozetek (E) i w formie hodowli adherentnej (F), w komórkach uwi-
ło o tym, że ludzkie indukowane neurony
doczniono lokalizację markera neuronalnych komórek macierzystych, Nestyny (kolor czerwony); (G, H)
otrzymane od pacjentów z AD charaktery-
neurony uzyskane w wyniku różnicowania ludzkich iPSC, w których uwidoczniono lokalizację markera
komórek neuronalnych MAP2 (kolor zielony) po 3 (G) i 10 (H) dniach różnicowania.
zujÄ… siÄ™ zaburzeniem typowym dla choro-
by [20]. Zatem, podobnie jak iPSC-N, także
hiN okazały się być cennym narzędziem
kazywały nie tylko spodziewaną morfologię i syntezę wła-
oferującym nowe możliwości poznania budowy i funkcjo-
ściwych markerów, ale również posiadały zdolność gene-
nowania neuronów, jak również badania mechanizmów
rowania potencjałów czynnościowych i tworzenia połączeń
rozwoju chorób układu nerwowego. Warto jednak zwrócić
synaptycznych [18]. W póz
niejszych badaniach zawężono
uwagę, iż w przeciwieństwie do iPSC i uzyskiwanych z nich
grupę genów niezbędnych do otrzymania iN do Brn2, Ascl1
iPSC-N, iN nie mogą być stosowane do modelowania i po-
i Myt1l (określanych wspólnie skrótem BAM). Większość
znawania mechanizmów chorób, których podstawą są za-
z otrzymanych iN stanowiły neurony glutaminergiczne.
166 www.postepybiochemii.pl
burzenia w funkcjonowaniu i różnicowaniu progenitorów WYKORZYSTANIE PRZEPROGRAMOWANYCH
neuronalnych, np. w przypadku wielu chorób neurorozwo- NEURONÓW DO MODELOWANIA I OPRACOWANIA
NOWYCH TERAPII CHORÓB UKA
ADU NERWOWEGO
jowych. Wynika to z faktu, że transdyferencjacja  omija ten
etap rozwoju.
Opisane powyżej protokoły produkcji ludzkich iPSC-N,
Dużym ograniczeniem zastosowania iN w podstawo- iN i iNSC wzbudziły ogromne zainteresowanie i entuzjazm,
wych badaniach laboratoryjnych, terapii komórkowej ponieważ ich bezpośrednią implikacją była możliwość uzy-
oraz medycynie regeneracyjnej jest brak możliwości na- skania komórek nerwowych o określonej charakterystyce,
mnażania i pasażowania neuronów, które są komórkami pochodzących od osób cierpiących na choroby układu ner-
nieproliferującymi. Dlatego też, z praktycznego punktu wowego [4,11,14]. To z kolei daje szansę opracowania no-
widzenia, bezpośrednie przeprogramowanie komórek wych modeli do badania i projektowania terapii tych scho-
somatycznych do aktywnie dzielących się neuronalnych rzeń. Powstaje pytanie, jakie są ich zalety i wady, w porów-
komórek macierzystych (iNSC) byłoby lepszym rozwią- naniu do modeli, którymi dysponujemy obecnie. Dotych-
zaniem i stworzyłoby możliwość uzyskania dużej liczby czas najczęściej w tego rodzaju badaniach wykorzystywane
komórek nerwowych z pominięciem etapu iPSC. W celu są zwierzęta laboratoryjne. Zmiany patologiczne mogą
otrzymania iNSC wykorzystano fakt, że czynniki OKSM być w nich indukowane zarówno farmakologicznie (np.
początkowo wprowadzają przeprogramowywane ko- wywołanie degeneracji prążkowia podaniem 6-hydroksy-
mórki w niestabilny, plastyczny stan, podczas którego dopaminy [6-OHDA, ang. 6-hydroxydopamine], wywołanie
 poprzez odpowiednie manipulacje środowiskiem ze- epilepsji podaniem pilokarpiny lub kainianu), genetycznie
wnątrzkomórkowym  można wpływać na los komórki. (np. transgenizacja zmutowanymi formami genów kodu-
Kim i współpracownicy [25] zaledwie trzy dni po wpro- jących białko prekursora amyloidu [APP, ang. Amyloid pre-
wadzeniu do fibroblastów czynników OKSM zmienili cursor protein] czy presyniliny [Psen 1 lub 2]), jak i poprzez
warunki hodowli komórek na charakterystyczne dla neu- ingerencję chirurgiczną (np. udar, uszkodzenie rdzenia krę-
ronalnych komórek macierzystych (pożywka z dodat- gowego). Zaletą tego modelu badawczego jest możliwość
kiem czynnika wzrostu fibroblastów [FGF2, ang. fibroblast analizy zmian patologicznych i ich mechanizmów mole-
growth factor 2] i nabłonkowego czynnika wzrostu [EGF, kularnych in vivo. Natomiast jako wadę należy wymienić
ang. epidermal growth factor]) i tym sposobem uzyskali po to, że wykorzystywane w badaniach zwierzęta mają inne
raz pierwszy mysie indukowane iNSC. Otrzymane ko- rozmieszczenie chromosomowe genów, inny metabolizm
mórki miały prawidłową morfologię, charakterystyczną oraz nieporównywalnie mniej skomplikowaną organizację
dla progenitorów neuronalnych, wykazywały syntezę mózgu niż ludzie. Skrajny przykład stanowi model zespołu
markerów neuronalnych komórek macierzystych (np. Downa, gdyż geny znajdujące się na ludzkim chromosomie
Pax6), aktywnie się dzieliły oraz można było je zróżni- 21 u myszy są rozproszone pomiędzy różnymi chromoso-
cować do różnych rodzajów neuronów (np. pobudzenio- mami. W przypadku wielu chorób neurologicznych stwo-
wych i GABAergicznych) i astrocytów [25]). W opisanej rzenie modeli zwierzęcych jest w zasadzie niemożliwe ze
metodzie uzyskiwania iNSC, czynniki przeprogramowu- względu na złożoność ludzkich funkcji kognitywnych. W
jące są potrzebne komórce przez krótki czas, co stwarza związku z tym konieczne jest bazowanie na modelach po-
możliwość zastąpienia wektorów wirusowych koktajlami szczególnych aspektów takich schorzeń, jak na przykład
związków chemicznych, takich jak np. kwas walproino- schizofrenia [30,31]. Część problemów związanych z róż-
wy (inhibitor deacetylazy histonowej), BIX-01294 (inhibi- nicami gatunkowymi dotychczas rozwiÄ…zywano, badajÄ…c
tor metylotransferazy histonowej), witamina C, 5-AzaC łatwo dostępne komórki pochodzące od pacjentów, np. fi-
(inhibitor metylotransferazy DNA), CHIR99021 lub BIO broblasty czy limfocyty. Wadą tego podejścia jest niewielkie
(inhibitory kinazy syntazy glikogenu 3, ang. Glycogen syn- podobieństwo funkcjonalne tych komórek do neuronów,
thase kinase 3, GSK3), ALK5 lub RepSox (inhibitory ścież- których funkcje są zaburzone w poszczególnych chorobach
ki sygnaÅ‚owej transformujÄ…cego czynnika wzrostu ², ang. UN. W zwiÄ…zku z powyższym możliwość uzyskiwania
Transforming Growth Factor ², TGF²), BayK8644 (agonista iPSC-N, iN i iNSC od pacjentów stanowi znaczÄ…cy postÄ™p w
kanałów wapniowych typu L) oraz kenpaullon (inhibitor opracowywaniu modeli in vitro chorób UN. Co więcej, tech-
kinaz zależnych od cyklin, ang. cyclin-dependent kinases). nologie te, w przypadku możliwości porównania próbek od
Niewątpliwie jest to bardzo ważna zaleta opisanej meto- licznych pacjentów, najprawdopodobniej pozwolą w przy-
dy, pozwalająca na uzyskiwanie bezpieczniejszych iNSC, szłości zrozumieć interakcję zaburzonych genów z tłem ge-
które miałyby potencjalne zastosowanie w terapii komór- netycznym poszczególnych osób. Nie są to jednak modele
kowej i medycynie regeneracyjnej. W kolejnych próbach pozbawione wad [3,32]. Podstawową jest to, iż iPSC-N, iN i
otrzymywania iNSC stosowano różne zestawy genów iNSC są modelami in vitro i w związku z tym nie uwzględ-
oraz materiał wyjściowy: mysie fibroblasty  c-Myc, Klf4, niają wpływu złożonego środowiska układu nerwowego.
Sox2 oraz E47/TCF3 (ang. E2A immunoglobulin enhancer- Jednak, jak omówiono poniżej, prowadzone obecnie bada-
binding factors E12/E47) i Brn4 (ang. Brain 4) zamiast Oct4 nia starają się przynajmniej częściowo uwzględniać te pro-
[26] lub Brn2, Sox2 oraz FoxG1 (ang. forkhead box G1) [27]; blemy. Jednym z podejść jest transplantacja komórek ner-
komórki Sertoliego - Pax6, Ngn2, Hes1 (ang. hairy and wowych uzyskanych w wyniku różnicowania iPSC lub bez-
enhancer of split-1), Id1 (ang. inhibitor of DNA binding 1), pośredniego przeprogramowania komórek somatycznych
Ascl1, Brn2, c-Myc oraz Klf4 [28]. Intensywne badania w do mózgu zwierząt. Innym, znajdującym zastosowanie
tej dziedzinie doprowadziły do uzyskania zarówno z my- szczególnie w przypadku modeli chorób neurodegeneracyj-
sich, jak i ludzkich fibroblastów iNSC przy użyciu zaled- nych, jest stosowanie czynników stresowych. Podsumowu-
wie jednego czynnika  Sox2 [29]. jąc, użycie iPSC, uzyskanych od pacjentów cierpiących na
Postępy Biochemii 59 (2) 2013 167
danÄ… chorobÄ™, w wielu przypadkach pozwala na symulacjÄ™ szkodliwych form ²-amyloidu, co jest jednym z symptomów
mechanizmów patofizjologicznych choroby i pozwala na AD. W przypadku pracy grupy Goldsteina [37] potwierdzo-
modelowanie jej przebiegu z uwzględnieniem indywidual- no również wystąpienie w iPSC-N innych zmian typowych
nego tÅ‚a genetycznego. dla AD, np. podniesienie poziomu aktywnej izoformy ² ki-
nazy 3 syntazy glikogenu (ang. Glycogen synthase kinase 3²,
Biorąc pod uwagę niewątpliwe korzyści płynące z możli-
GSK3²) oraz fosforylacji treoniny 231 biaÅ‚ka Tau. Jednak we
wości wykorzystania technologii przeprogramowywania w
wszystkich cytowanych pracach nie wykazano najważniej-
badaniu chorób układu nerwowego nie dziwi fakt, iż w cią-
szej cechy patologii AD, czyli śmierci komórek nerwowych.
gu ostatnich 3 lat opracowano liczne modele takich chorób
W ostatnich latach, w przypadku modeli niektórych chorób
w oparciu o tę technologię [11,13,14,33]. Poniżej omówione
neurodegeneracyjnych, znaleziono kilka rozwiązań proble-
zostały tylko wybrane przykłady, które w naszym przeko-
mu braku zmian patologicznych np. zadziałanie czynnikami
naniu pozwalają przybliżyć strategię badania tak różnych
stresowymi na uzyskane neurony. I tak na przykład Nguyen
zjawisk, jak monogenowe choroby neurorozwojowe, cho-
i współpracownicy [39] wykazali zwiększoną śmierć dopa-
roby wielogenowe oraz choroby neurodegeneracyjne. WiÄ™-
minergicznych iPSC-N od pacjentów z PD (z mutacją powo-
cej szczegółowych informacji czytelnicy mogą znalez
ć w
dujÄ…cÄ… substytucjÄ™ glicyny 2019 do seryny w kinazie LRRK2,
licznych pracach przeglÄ…dowych opublikowanych ostatnio
ang. Leucine-rich repeat kinase 2), po podaniu H2O2, 6-OHDA
[11,12,14,33].
lub inhibitorów proteasomu. Ta obserwacja jest zgodna z po-
stulowanym mechanizmem choroby, w myśl którego śmierć
Pierwszym modelem choroby układu nerwowego uzy-
neuronów dopaminergicznych jest spowodowana nieko-
skanym przy użyciu iPSC, w którym udało się uzyskać
rzystną kombinacją podwyższonego stresu oksydacyjnego i
in vitro zmiany patologiczne charakterystyczne dla tego
zaburzeń w procesach degradacji białek. Różne czynniki stre-
schorzenia, był model rdzeniowego zaniku mięśni (SMA,
sowe wykorzystywano także w modelach ALS [40] i HD [41].
ang. spinal muscular atrophy) [34]. SMA jest autosomalnÄ…
W pierwszym przypadku podanie arsenianiu powodowało
recesywną chorobą genetyczną wywołaną mutacjami genu
podwyższoną śmiertelność komórek iPSC-N pacjentów. W
SMN1 (ang. survival motor neuron 1), prowadzÄ…cymi do ob-
przypadku HD, Jeon i współpracownicy [41] wykazali, iż po-
niżenia w komórkach poziomu kodowanego przez ten gen
danie inhibitora proteasomu MG132 indukowało pojawienie
białka. W efekcie dochodzi do wybiórczej degeneracji mo-
się agregatów zmutowanej huntingtyny w iPSC-N pacjenta.
toneuronów w obrębie rdzenia kręgowego, co prowadzi
Metodą alternatywną do stresowania komórek nerwowych
do zaniku mięśni i śmierci najpóz
niej w drugim roku życia.
jest długoterminowa ich hodowla [42] lub  postarzanie
Ebert i współpracownicy w pierwszej kolejności uzyskali
neuroprekursorów poprzez kolejne pasaże [43]. Na przykład
iPSC poprzez transdukcję fibroblastów pacjenta wektorem
Sanchez-Danes i współpracownicy [40] zaobserwowali spon-
lentiwirusowym kodujÄ…cym OCT4, SOX2, NANOG i LIN28.
taniczne zmiany patologiczne towarzyszÄ…ce chorobie Parkin-
Następnie iPSC pacjenta oraz komórki kontrolne, uzyskane
sona tj. degenerację komórek (utrata neurytów i wakuoliza-
od jego matki zróżnicowano do iPSC-N. Pośród nich moż-
cja), aktywacjÄ™ kaspazy 3 oraz zaburzonÄ… autofagiÄ™, tylko w
na było wyróżnić motoneurony, co potwierdzono, badając
iPSC-N pacjentów z PD (mutacje w LRRK2 lub idiopatyczna
syntezę charakterystycznych markerów, SMI-32 i acetylo-
PD) hodowanych in vitro ponad 75 dni. W przypadku chorób
transferazy choliny. Analiza uzyskanych komórek wykaza-
neurodegeneracyjnych aktualne pozostaje jednak pytanie,
ła obniżony poziom ekspresji SMN1 w komórkach pacjenta,
na ile badanie komórek pacjentów in vitro, w oderwaniu od
ich zmniejszone ciało komórkowe oraz przedwczesną dege-
środowiska całego mózgu, pozwoli rzeczywiście zrozumieć
nerację motoneuronów, objawy spójne z obrazem klinicz-
proces chorobowy. W celu odpowiedzi na to pytanie podej-
nym [34].
mowane są próby wszczepiania iPSC-N lub ich prekursorów
do mózgu zwierząt laboratoryjnych. Na przykład, w przy-
Rdzeniowy zanik mięśni, w związku ze znaną wcześniej
padku HD udało się zaobserwować tworzenie agregatów
przyczyną patologii, okazał się być relatywnie prostą cho-
zmutowanego białka w transplantowanych iPSC-N-HD, jeśli
robą do modelowania przy wykorzystaniu iPSC-N. Było
doświadczenia były prowadzone odpowiednio długo (po-
to związane także z tym, iż SMA objawia się w pierwszych
nad 30 tygodni) [41].
dwóch latach życia. Próby otrzymania modeli chorób o bar-
dziej złożonym podłożu lub pojawiających się w póz
niej- W przypadku większości omówionych powyżej przy-
szym wieku takich, jak ALS czy HD, podjęte jeszcze przed kładów, modele opracowano w oparciu o łatwo mierzalne
badaniami Eberta i współpracowników [34], wykazały moż- i dobrze opisane zjawiska związane z patologią, np. śmierć
liwość uzyskania neuronów z iPSC pacjentów, ale nie powio- komórek nerwowych lub nadmierną produkcję toksycznej
dły się w kontekście uzyskania spodziewanych efektów fe- formy białka. Jednak prawdziwe wyzwanie stanowią te
notypowych towarzyszących chorobom [35,36]. Jednak pra- choroby, w przypadku których efekt fenotypowy nie jest
ca Dimosa i współpracowników [35] była ważnym krokiem, dobrze zbadany lub wymaga skomplikowanych pomia-
ponieważ pokazała, iż można uzyskać iPSC, a następnie rów. Wśród schorzeń układu nerwowego można do nich
neurony od pacjentów w bardzo podeszłym wieku, co jest zaliczyć choroby, które przejawiają się opóz
nieniem umy-
kluczowe dla modeli np. AD. W przypadku tej ostatniej cho- słowym lub zaburzeniami osobowości, np. zespół Retta czy
roby udało się uzyskać zarówno iPSC-N, jak i iN od pacjen- schizofrenia. Opracowanie modeli dla tych dwóch schorzeń
tów, u których AD wystąpiło z różnych przyczyn [20,37,38]. opisano bardziej szczegółowo poniżej.
W większości tych modeli, niezależnie od przyczyny choro-
by (np. postać sporadyczna vs. rodzinna; mutacje w genach Zespół Retta (RTT) to neurologiczne zaburzenie rozwo-
kodujących APP lub PSEN) stwierdzono wzrost produkcji ju, które jest uwarunkowane genetycznie i zaliczane do
168 www.postepybiochemii.pl
spektrum zaburzeń autystycznych. Za wystąpienie choroby posiadających mutację typu nonsens w MeCP2 była genta-
odpowiada mutacja genu MeCP2 (ang. methyl CpG binding mycyna, która jest stosowana do eliminowania defektów
protein 2) zlokalizowanego na chromosomie X, kodujÄ…cego zwiÄ…zanych z nonsensowymi mutacjami punktowymi i po-
białko zaangażowane w regulację transkrypcji [44]. Chłopcy zwala na ekspresję prawidłowego i kompletnego produktu
z mutacją MeCP2 umierają najczęściej zaraz po urodzeniu genu. Środek ten skutecznie przyczynił się do odtworzenia
lub jeszcze w okresie prenatalnym. Dziewczynki zaś nie synaps glutaminergicznych w badanych neuronach i stał
wykazują jakichkolwiek objawów choroby podczas ciąży i się potencjalnym kandydatem terapeutycznym w leczeniu
pierwszych 6-18 miesięcy życia, po czym obserwuje się u RTT.
nich okres stagnacji, a następnie dochodzi do szybkiego za-
W przeciwieństwie do RTT, schizofrenia nie ma jedno-
nikania już nabytych umiejętności werbalnych i ruchowych.
znacznie określonego podłoża genetycznego. Dlatego też
Klasycznym objawem wyróżniającym tę chorobę jest utrata
opracowanie spójnego modelu do badań in vitro stanowi-
umiejętności celowego posługiwania się rękoma, która jest
ło duże wyzwanie. Analizy post mortem tkanki mózgowej
zastępowana powtarzanymi stereotypowymi ruchami rąk.
pacjentów ze schizofrenią wykazują, że ich komórki neuro-
Ponadto, u osób z zespołem Retta występuje opóz
nienie
nalne są mniejsze, mają zubożone drzewka dendrytyczne
wzrostu i przyrostu obwodu głowy, zaburzenia porusza-
i zmniejszonÄ… liczbÄ™ synaps pobudzeniowych [49]. W celu
nia siÄ™ (ataksja/apraksja), napady padaczkowe oraz cechy
sprawdzenia, czy parametry te można odtworzyć in vitro,
autyzmu. W konsekwencji, u chorych rozwija siÄ™ szereg
Brennand i współpracownicy [9] otrzymali z fibroblastów
zaburzeń neurorozwojowych, które w większości wypad-
czwórki pacjentów iPSC (przeprogramowanie przy uży-
ków prowadzą do znacznej i głębokiej niepełnosprawności
ciu lentiwirusów pozwalających na indukowaną ekspre-
ruchowej oraz znacząco ograniczają możliwość komunika-
sję OCT4, SOX2, NANOG i LIN28), z których następnie
cji z otoczeniem [45]. Obecnie nie istnieje żadna skuteczna
otrzymali iPSC-N. Większość otrzymanych komórek neu-
metoda leczenia przyczynowego. Leczy siÄ™ jedynie zabu-
ronalnych stanowiły neurony pobudzające. Analiza mor-
rzenia współistniejące takie, jak np. padaczka, oraz stosuje
fometryczna wykazała, iż otrzymane neurony miały mniej
się odpowiednią terapię, by stymulować w jak największym
neurytów oraz mniejszą gęstość synaps pobudzeniowych.
stopniu ogólny rozwój pacjentów. Wczesna diagnoza jest
Zastosowanie nowoczesnej metody znakowania połączeń
istotna ze względu na kluczowe znaczenie wczesnego pod-
neuronalnych in vitro przy użyciu zmodyfikowanego wi-
jęcia tych działań dla dobra dziecka i jego dalszego rozwoju.
rusa wścieklizny pozwoliło wykazać, iż istotnie liczba po-
Trzem grupom badawczym niezależnie udało się otrzy- łączeń pomiędzy komórkami w hodowli była znacznie ob-
mać iPSC pochodzące od pacjentów z RTT i zróżnicować niżona. Jednak autorom nie udało się wykazać znaczących
je do funkcjonalnych neuronów [46-48]. Marchetto i współ- różnic elektofizjologicznych w porównaniu z kontrolą, co
pracownicy [46] uzyskali iPSC z fibroblastów pochodzą- może wskazywać na silne efekty kompensacyjne. Niemniej
cych od pacjentów z zespołem Retta, wykorzystując wektor jednak otrzymany model potwierdził, iż niektóre zmiany
retrowirusowy do wprowadzenia czterech czynników prze- obserwowane u pacjentów ze schizofrenią mogą być mode-
programowujących, tj. Sox2, Oct4, c-Myc i Klf4. Badacze ci lowane przy użyciu iPS-N chorych osób. Co więcej, model
nie zaobserwowali zakłóceń w procesie różnicowania ani ten okazał się przydatny w poszukiwaniu substancji odwra-
różnic w przeżywalności iPSC-N otrzymanych od pacjen- cających zmiany patologiczne (patrz niżej).
tów RTT i zdrowych osób. Wykazali jednak, że hodowane
in vitro iPSC-N-RTT miały mniej synaps i kolców dendry- Najważniejszym celem wykorzystania modeli chorób UN
tycznych, mniejsze ciało komórki oraz zaburzony poziom uzyskanych w oparciu o komórki iPSC-N lub iN jest użycie
jonów wapnia, a także nieprawidłowe parametry elektrofi- ich do poszukiwania nowych leków. Jest to związane mie-
zjologiczne. Otrzymane wyniki wskazują, iż zaburzenia w dzy innymi z faktem, iż wykorzystanie dotychczasowych
tworzeniu i funkcjonowaniu sieci neuronalnej u chorych z modeli przedklinicznych (linie komórkowe, modele zwie-
zespołem Retta mogą leżeć u podstawy tego schorzenia. rzęce) w opracowywaniu leków przeciwko chorobom UN
można uznać za spektakularną porażkę. Ponad 90% sub-
Ponieważ Marchetto i współpracownicy [46] użyli do stancji, które przeszły przez fazę przedkliniczną odpadło w
badań iPSC-N, byli oni w stanie prześledzić rozwój tych testach klinicznych mających potwierdzić ich specyficzność,
komórek i wskazać początek zmian patologicznych już we skuteczność oraz bezpieczeństwo zastosowania. Generuje to
wczesnym rozwoju neuronalnym. Warto podkreślić, iż u ogromne straty finansowe i stawia pod znakiem zapytania
chorych na tym etapie nie występują jeszcze wykrywalne adekwatność modeli przedklinicznych opartych w głównej
symptomy. Zatem uzyskane przez autorów wyniki dostar- mierze o genetycznie modyfikowane zwierzęta oraz unie-
czyły informacji na temat nowego i najwcześniejszego etapu śmiertelnione komórki ludzkie. W związku z tym rozwiąza-
rozwoju patologii, w którym zastosowanie odpowiedniego nie polegające na wykorzystaniu iPSC-N lub iN stanowi po-
leczenia mogłoby skutkować spowolnieniem lub całkowi- tencjalnie ważną alternatywę, pozwalającą jednocześnie na
tym zatrzymaniem rozwoju schorzenia. Aby przetestować rozszerzenie skali testów. Zastosowanie iPSC można obecnie
tę hipotezę, zbadano efekt podania insulinopodobnego rozpatrywać w trzech płaszczyznach: do testowania nowych
czynnika wzrostu 1 (IGF-1, ang. insulin-like growth factor) na leków w modelach chorób uzyskanych dzięki technologii
właściwości iPSC-N-RTT i w części klonów zaobserwowano przeprogramowania, do badań toksykologicznych oraz w
częściowe odwrócenie fenotypu, polegające na zwiększeniu celu poszukiwania substancji wpływających na samoodna-
liczby synaps w badanych komórkach. Jednak IGF-1 powo- wialność, przeżywalność i różnicowanie komórek. W niniej-
dował także nadmierną aktywność synaps pobudzających szej pracy przeglądowej skupiliśmy się tylko na pierwszym
[46]. Drugą substancją czynną testowaną na iPSC-N-RTT zagadnieniu, które wyszło już poza sferę planów.
Postępy Biochemii 59 (2) 2013 169
efektywności 4 substancji modulujących te procesy w prze-
Wykorzystanie modeli chorób UN opartych o iPSC-N i
ciwdziałaniu efektom arsenianu. Spośród tych substancji
iN do poszukiwania i testowania leków wzbudza obecnie
kwas 2-Hydroxy-6-pentadecylobenzoesowy (ang. anacardic
największe zainteresowanie. Jednakże dotychczasowe pró-
acid), nie tylko ochraniał iPSC-N-ALS przed śmiercią, ale
by należy traktować raczej jako obiecujące eksperymenty
także zwiększał długość neurytów i obniżał poziom eks-
pilotażowe. Wiąże się to z tym, iż zwykle badania są pro-
presji zmutowanego TDP-43 oraz licznych genów zaanga-
wadzone z wykorzystaniem materiału od małej liczby pa-
żowanych w metabolizm RNA [40]. Ponieważ jednak zwią-
cjentów i maksymalnie 4 testowanych substancji. Co więcej,
zek ten ma dość szerokie spektrum działania na poziomie
iPSC-N oraz iN są uzyskiwane i różnicowane w laborato-
molekularnym autorzy ostatecznie nie wyjaśnili, na czym
riach wg różnych, często niewystandaryzowanych proce-
dokładnie polegał jego efekt  terapeutyczny .
dur, co utrudnia ich wykorzystanie do wielkoskalowych
poszukiwań potencjalnych leków. Pierwszą udaną próbę
WYKORZYSTANIE iPSC-N I iN W MEDYCYNIE
farmakologicznego odwrócenia fenotypu  chorych neuro-
REGENERACYJNEJ UKA
ADU NERWOWEGO
nów uzyskanych na drodze reprogramowania podjęli Ebert
i współpracownicy [34], wykorzystując opisany już powy- Obok opracowywania nowych modeli chorób UN oraz
żej model SMA. Wykazali oni, że zastosowanie kwasu wal- użycia ich do poszukiwania nowych lub testowania istnie-
proinowego lub tobramycyny przywracało ekspresję SMN1 jących leków, iPSC-N i iN rozbudziły nadzieję na ich wy-
do poziomu kontrolnego. Natomiast nie badali oni w swojej korzystanie w transplantologii i terapii komórkowej. Po-
pracy, czy podanie tych substancji zapobiega selektywnej zwalałoby to, przynajmniej w teorii, na obejście problemu
śmierci neuronów motorycznych uzyskanych od pacjen- niezgodności tkankowej komórek dawcy i biorcy. W tym
tów [34]. Jednak te pionierskie eksperymenty udowodniły, kontekście najśmielsze plany zakładają wykorzystanie sko-
iż w modelu stworzonym na bazie technologii przeprogra- rygowanych genetycznie somatycznych komórek pacjenta
mowywania, substancje uznane za potencjalne terapeutyki do uzyskania materiału do przeszczepu neuroprekursorów
istotnie mogą wykazywać oczekiwane działanie, np. pod- w celu naprawy układu nerwowego. Plany bardziej realne
nieść poziom białka, którego brak jest uznany za przyczynę skupiają się na terapiach patologii związanych z urazami
śmierci komórek. Podobne eksperymenty przeprowadzono układu nerwowego lub udarem mózgu. W przeciwieństwie
także w modelach AD, w których - zgodnie z oczekiwaniem jednak do opracowywania nowych modeli chorób, prace
- wykazano, iż w przypadku mutacji w PSEN1 i 2 zastoso- nad wykorzystaniem terapii komórkowych przy użyciu
wanie inhibitorów g-sekretazy obniżaÅ‚o poziom ²-amyloidu komórek pluripotencjalnych (np. ESC) trwajÄ… od wielu lat.
produkowanego przez uzyskane z iPSC neurony [38]. Ten W tym kontekście, wykorzystanie iPSC i uzyskanych z nich
przykład dobrze ilustruje niebezpieczeństwo analizy pod- neuroprekursorów może bazować na wcześniejszych osią-
czas badań przedklinicznych tylko wybranych aspektów gnięciach. Jednak problem sprowadza się nie tylko do od-
danej choroby, gdyż wiadomo, że zastosowanie inhibito- powiedzi na pytanie, czy komórki iPSC-N lub iN przejmą
rów g-sekretazy w badaniach klinicznych nie przyniosło po- funkcje zniszczonych komórek. Wciąż nie do końca rozwią-
żądanych efektów. Co więcej, w modelach AD, gdzie iPSC- zany pozostaje problem produkcji iPSC w sposób bezpiecz-
-N pochodziły od pacjentów zarówno z duplikacją APP, jak ny, tj. umożliwiający ich zastosowanie w transplantologii,
i postacią sporadyczną, zastosowanie inhibitorów g-sekreta- oraz znalezienie sposobów zwiększających szansę prze-
zy nie wpływało na szereg badanych parametrów o znanym trwania  zdrowych komórek w patologicznie zmienionym
powiÄ…zaniu z patologiÄ… AD (np. poziom aktywnej GSK3² Å›rodowisku tkanki docelowej. W zwiÄ…zku z tym wszystkie
czy fosforylacji Tau) [37]. omówione poniżej dotychczasowe próby transplantacji
iPSC i komórek z nich uzyskanych były przeprowadzane z
Jednak badania wykorzystujące iPSC-N i iN nie ograni- wykorzystaniem modeli zwierzęcych.
czajÄ… siÄ™ tylko do potwierdzania lub falsyfikacji aktywno-
ści leków znanych i testowanych od dawna [11,14]. Cieka- Terapia z wykorzystaniem komórek pluripotencjalnych
we przykłady w kontekście poszukiwania nowych leków jest najprawdopodobniej najbardziej zaawansowana w
mogą stanowić modele schizofrenii, RTT (omówiony już przypadku wspomagania regeneracji uszkodzeń rdzenia
wcześniej) oraz ALS. W przypadku pierwszego z modeli kręgowego [50]. W przeciwieństwie do neuronów obwodo-
Brennand i współpracownicy [9] przetestowali pięć leków wych, które odznaczają się dużym potencjałem regenera-
antypsychotycznych (klozapina, loksapina, olanzapina, ri- cyjnym, komórki ośrodkowego UN, w tym budujące rdzeń
speridon oraz thioridazin) o różnym spektrum działania kręgowy, zasadniczo nie mają zdolności do regeneracji, co
pod kątem zdolności do zwiększenia liczby połączeń po- uniemożliwia skuteczną naprawę pourazową [51]. Okazu-
między iPSC-N pacjenta. Wykazano, iż tylko loksapina w je się jednak, iż wszczepione komórki neuroprekursorowe
sposób istotny poprawiała ten parametr. Z kolei w przy- uzyskane z ESC do pewnego stopnia są w stanie wspoma-
padku modeli ALS, Egawa i współpracownicy [40] wypro- gać odzyskanie utraconych funkcji [50]. Jednak ESC są ma-
wadzili szereg linii iPSC od pacjentów z mutacją w genie teriałem trudno dostępnym, a ich wykorzystanie budzi kon-
kodującym białko TDP-43 (ang. TAR DNA-binding protein trowersje natury etycznej. Dlatego też iPSC i pochodzące od
43), a następnie wykazali ich podwyższoną wrażliwość na nich neurprekursory stanowią atrakcyjne rozwiązanie. Tsu-
stres wywołany podaniem arsenianu. Analizy mikromacie- ji i współpracownicy [52] wykazali, iż uzyskane z mysich
rzowe, przeprowadzone z wykorzystaniem tych komórek, iPSC neuroprogenitory wszczepione do rdzenia kręgowego
wykazały wzrost poziomu transkrypcji białek istotnych dla myszy różnicowały zarówno do różnych rodzajów neuro-
procesów transkrypcji lub składania eksonów [40]. Dlate- nów, jak i astrocytów oraz oligodendrocytów. Uzyskane
go też w dalszych badaniach skupiono się na sprawdzeniu neurony były funkcjonalne, tworzyły właściwe projekcje i
170 www.postepybiochemii.pl
wspomagały powrót funkcji motorycznych u zwierząt w sywnie badane są także możliwości wykorzystania terapii
modelu urazu rdzenia kręgowego [52]. Jednocześnie bada- komórkowej w innych chorobach UN takich, jak ALS [24]
nia te wykazały, iż kluczowe dla sukcesu jest sprawdzenie czy zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem (AMD,
pochodzących z iPSC neuroprogenitorów pod względem ang. Age-related Macular Degeneration) [56]. Jednak w prze-
ich zdolności do tworzenia potworniaków po wszczepieniu ciwieństwie do uszkodzeń rdzenia kręgowego czy śmierci
do mózgu myszy SCID. Opisane doświadczenia wykona- neuronów wywołanej udarem sprawa leczenia osób do-
no przy użyciu linii komórek  bezpiecznych , o potwier- tkniętych tymi chorobami poprzez transplantację komórek
dzonym niskim potencjale do tworzenia potworniaków. neuronalnych uzyskanych dzięki technologii przeprogra-
Jeśli jednak wykorzystano do nich komórki niewystarcza- mowywania jest kwestią dużo bardziej złożoną i proble-
jąco zróżnicowane, zaobserwowano formowanie potwor- matyczną. W tym kontekście warto omówić przykład po-
niaków w miejscu przeszczepu [52]. W roku 2011 grupa tencjalnej terapii choroby Parkinsona. W 2008 roku Wernig
Okano potwierdziła możliwość wykorzystania progenito- i współpracownicy [7] wykazali, iż uzyskane w wyniku
rów neuronalnych wyprowadzonych z ludzkich iPSC do przeprogramowania mysich fibroblastów neurony dopa-
terapii uszkodzenia rdzenia kręgowego w modelu mysim minergiczne po wprowadzeniu do prążkowia szczurów,
[53]. Ostatnio ten sam zespół zrobił kolejny krok naprzód poddanego uprzednio działaniu 6-OHDA, są w stanie prze-
w kierunku opracowania takiej terapii u ludzi i udowodnił, trwać i stworzyć funkcjonalne sieci neuronalne. Podanie
iż transplantacja ludzkich neuroprogenitorów pozwala na 6-OHDA do prążkowia prowadzi do zniszczenia neuronów
poprawę funkcjonalną po urazie rdzenia kręgowego mar- dopaminergicznych i jest powszechnie używane u zwierząt
mozety [54]. laboratoryjnych w celu naśladowania efektów choroby Par-
kinsona. W modelu tym podanie substancji podnoszÄ…cych
Udar mózgu jest kolejnym uszkodzeniem, którego tera-
aktywność lokomotoryczną (np. amfetaminy) zwierzętom,
pia mogłaby się opierać na przywróceniu funkcji poprzez
u których wywołano jednostronne zniszczenie prążkowia
wszczepienie neuroprekursorów pochodzących z iPSC lub
prowadzi do bardzo intensywnych, jednokierunkowych
uzyskanych w wyniku bezpośredniego przeprogramo-
ruchów rotacyjnych. Miarą poprawy fenotypu i odzyskania
wania. W przypadku udaru, w efekcie zaburzeń krążenia
funkcji przez zniszczoną część prążkowia jest zmniejszenie
mózgowego (niedokrwienie lub wylew krwi do mózgu),
ich liczby. Transplantacja neuronów dopaminergicznych
dochodzi do śmierci komórek mózgu i w konsekwencji do
pochodzących z iPSC przyniosła właśnie taki efekt terapeu-
zaburzenia jego funkcji. W zależności od rozmiarów i miej-
tyczny [7]. Z kolei, w 2009 roku podobny efekt uzyskano
sca uszkodzenia efekty fenotypowe mogą być odwrócone
wprowadzając do zniszczonego podaniem 6-OHDA prąż-
poprzez rehabilitację, która opiera się o zjawisko plastycz-
kowia szczura ludzkie komórki uzyskane z iPSC, w tym
ności mózgu. Jednak w części przypadków jest to obecnie
od pacjentów chorych na idiopatyczną chorobę Parkinsona
niemożliwe, choć mogłoby się stać możliwe, gdyby udało
[57]. Co więcej, w większości przypadków nie zaobserwo-
się zregenerować tkankę nerwową. Oki i współpracowni-
wano typowych zmian chorobowych tych neuronów, ani ich
cy [55] podjęli taką próbę, wprowadzając ludzkie komórki
zwiększonej śmierci po transplantacji. A zatem potencjalnie
neuroepitelialne uzyskane z iPSC do mózgu myszy i szczu-
możliwe byłoby wykorzystanie własnych komórek pacjenta
rów, u których wywołano niedokrwienie mózgu. Efektem
do terapii. Należy jednak pamiętać o dwóch istotnych kwe-
niedokrwienia były lezja części prążkowia oraz zaburze-
stiach. Po pierwsze opisywane doświadczenia przeprowa-
nie funkcji motorycznych zwierząt. Autorzy wykazali, że
dzano w krótkiej skali czasowej (tygodnie), podczas gdy po-
transplantacja komórek neuroepitelialnych do prążkowia
wstanie zmian chorobowych u ludzi zajmuje lata. Ponadto,
tydzień po udarze w znaczący sposób poprawiała funkcje
należy pamiętać, że ważnymi aspektami większości chorób
ruchowe zwierząt. Dalsze analizy mózgu zwierząt w 11
neurodegeneracyjnych są stres komórkowy i patologicznie
tygodniu po transplantacji wykazały, że wprowadzone ko-
zmienione środowisko mózgu. Jak wspomniano powyżej, w
mórki różnicowały do funkcjonalnych neuronów. Jednak
modelach in vitro opartych o technikÄ™ przeprogramowywa-
autorzy stwierdzili brak korelacji pomiędzy trwałą popra-
nia, często konieczne jest zastosowanie dodatkowego stresu
wÄ… zaobserwowanÄ… w testach behawioralnych a przetrwa-
w celu wywołania określonych zmian patologicznych. A
niem wszczepionych komórek. Nie stwierdzono też znaczą-
zatem prawdopodobnie przeszczep komórek pacjenta bez
cej odbudowy zniszczonej tkanki. Rodzi siÄ™ zatem pytanie,
uprzedniej poprawy ich genotypu nie stanowi rzeczywistej
w jaki sposób wszczepione komórki, które najprawdopo-
alternatywy w przypadkach, gdzie choroba jest powodo-
dobniej na badanym etapie (tj. 7 dni od transplantacji) nie
wana defektem genetycznym. Technologie umożliwiające
były jeszcze odpowiednio zróżnicowane, wywarły efekt
korektę mutacji są już dostępne i z powodzeniem były sto-
terapeutyczny. Praca Oki i współpracownicy [55] nie daje
sowane w przypadku iPSC od pacjentów z PD spowodowa-
ostatecznej odpowiedzi, jednak autorzy na podstawie ob-
nÄ… zmianÄ… w genie LRRK2 (G2019S) [43]. Jednak w licznych
serwacji poziomu VEGF (ang. Vascular endothelial growth fac-
sporadycznych przypadkach PD przyczyna genetyczna
tor) postawili hipotezę, że wzmożona synteza tego czynnika
nie jest znana co nie pozwoli na ich korektÄ™ molekularnÄ….
troficznego może wpływać, w pierwszym okresie po uda-
Ponadto, pochodzÄ…ce od naprawionych iPSC neuroprekur-
rze, na podniesienie potencjału plastycznego endogennych
sory będą narażone na środowisko  chorego układu ner-
komórek nerwowych, które przetrwały niedokrwienie.
wowego. W dłuższej perspektywie może prowadzić to do
ich śmierci. Podobne zjawisko obserwowano w przypadku
Drugą grupę patologii układu nerwowego, w których
wykorzystania neuroprekursorów pochodzących z ESC,
transplantacja komórek nerwowych pacjenta mogłaby sta-
które po kilku latach od transplantacji także ulegały dege-
nowić skuteczną terapię są choroby degeneracyjne. Wśród
neracji w związku z toksycznym oddziaływaniem środowi-
nich najbardziej rozpowszechnione sÄ… AD, PD i HD. Inten-
Postępy Biochemii 59 (2) 2013 171
ska  chorego mózgu. Podobny przykład pochodzi z badań dalszego namnażania, jak i różnicowania do neuronów po
nad ALS [24]. Otóż wykazano, że zdrowe iN hodowane w 14 pasażu. Co najważniejsze, podobne zmiany morfologii
obecności komórek glejowych produkujących zmutowaną, jądra komórkowego potwierdzono w strefach neurogen-
toksyczną formę dysmutazy ponadtlenkowej SOD1 (G93A) nych (zakręt zębaty hipokampa) w preparatach pobranych
ulegają degeneracji [24]. Pokazuje to dobitnie, że terapia ge- post mortem z mózgu chorych na PD. Autorzy sugerują, iż
nowa oparta na genetycznej korekcie tylko wprowadzanych przyspieszony zanik zdolności neurogenezy w dorosłym
komórek chorego, czy nawet wprowadzenie zdrowych ko- mózgu może odpowiadać za niemotoryczne symptomy
mórek od innego dawcy mogą być niewystarczające dla neurologiczne u osób cierpiących na PD. Innymi przykła-
efektywnej i długofalowej terapii. W naszym przekonaniu dami odkrycia nowych aspektów patologii UN na poziomie
należy o tym pamiętać, gdyż jest to bardzo poważne ogra- biologii komórki mogą być wykazanie zaburzeń autofagii
niczenie zastosowania wszelkich terapii transplantacyjnych jako jednej z przyczyn zmian patologicznych w modelach
w chorobach neurodegeneracyjnych. PD [42] czy powiÄ…zanie AD z zaburzeniem transportu en-
docytarnego [20,37].
iPSC-N, iN ORAZ iNSC JAKO NARZ
DZIA DO
POSZUKIWANIA NOWYCH MECHANIZMÓW
PODSUMOWANIE
FIZJOLOGII I PATOLOGII NEURONÓW
W niniejszym artykule omówione zostały najnowsze ba-
Opisane dotychczas przykłady przedstawiały badania z dania w dziedzinie neurobiologii wykorzystujące technikę
wykorzystaniem iPSC-N oraz iN, które miały z góry założo- przeprogramowywania komórek. W dużej mierze skupiają
ny cel praktyczny: modelowanie chorób w celu opracowa- się one na opracowaniu nowych modeli i terapii chorób UN
nia nowych terapii lub opracowanie nowych strategii tera- w oparciu o materiał uzyskany od pacjentów. Jest to bardzo
peutycznych w oparciu o przeszczep komórek. Okazuje się obiecujący kierunek badań, jednak do jego największych
jednak, że wykorzystanie technologii przeprogramowania wyzwań należą stworzenie bezpiecznych metod przepro-
do badania neuronów różnych rodzajów pochodzących od gramowywania somatycznego oraz standaryzacja metod
pacjentów może prowadzić do nowych odkryć na poziomie uzyskiwania indukowanych komórek i ich hodowli. Szcze-
podstawowym. gólnie to ostatnie zagadnienie jest konieczne do skuteczne-
go przeprowadzenia wielkoskalowych projektów farma-
Pierwszym z
ródłem takich nowych obserwacji jest glo- kologicznych. Na koniec warto wspomnieć, iż oprócz mo-
balna analiza ekspresji genów poszczególnych rodzajów delowania chorób UN iPSC mogą być wykorzystywane do
neuronów uzyskanych na drodze reprogramowania od modelowania in vitro rozwoju mózgu. Na przykład Mariani
pacjentów cierpiących na schorzenia UN i porównanie ich i współpracownicy [59] traktując iPSC rosnące w zawiesi-
z komórkami osób zdrowych. Na przykład analiza trans- nie FGF i inhibitorami ścieżek sygnałowych aktywowanych
kryptomu komórek iPSC-N pochodzÄ…cych od 4 pacjentów przez BMP (ang. Bone morphogenetic proteins), Wnt i TGF²
ze schizofrenią [9] wykazała różnice w ekspresji 596 genów uzyskali trójwymiarowe agregaty komórkowe o charakte-
w porównaniu z komórkami iPSC-N osób zdrowych. Sie- rystyce rozwijającej się kory mózgowej. Wykorzystanie tego
demdziesiąt pięć procent spośród nich wcześniej nie było typu hodowli może pozwolić w niedalekiej przyszłości na
wiązanych ze schizofrenią. Stworzona ontologia genów szybkie testowanie hipotez dotyczących molekularnych
pozwoliła zidentyfikować nowe procesy biologiczne po- aspektów rozwoju mózgu, a także chorób z nim związa-
tencjalnie zwiÄ…zane z tÄ… chorobÄ…, jak np. kontrola wzrostu nych.
i nawigacji aksonów czy wyciszanie transkrypcji genów.
Inny przykład może stanowić wspomniana wcześniej anali- PIŚMIENNICTWO
za transkryptomu iPSC-N-ALS pacjentów ze zmutowanym 1. Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K,
Yamanaka S (2007) Induction of pluripotent stem cells from adult hu-
TDP-43 [40]. Analogiczne badania przeprowadzono także
man fibroblasts by defined factors. Cell 131: 861-872
na poziomie proteomu niezróżnicowanych iPSC uzyska-
2. Takahashi K, Yamanaka S (2006) Induction of pluripotent stem cells
nych z fibroblastów pacjentów z HD [58]. Uzyskane dane
from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined fac-
wskazały na szereg możliwych mechanizmów, które mogą
tors. Cell 126: 663-676
prowadzić do patologii komórek nerwowych (np. obniżenie
3. Dolmetsch R, Geschwind DH (2011) The human brain in a dish: the
poziomu białek związanych z cytoszkieletem o znanej funk-
promise of iPSC-derived neurons. Cell 145: 831-834
cji w rozwoju neuronów).
4. Koch P, Kokaia Z, Lindvall O, Brustle O (2009) Emerging concepts in
neural stem cell research: autologous repair and cell-based disease mo-
Ale nie tylko badania wielkoskalowe pozwalajÄ… na od-
delling. Lancet Neurol 8: 819-829
krycie nieoczekiwanych mechanizmów towarzyszących
5. Mattis VB, Svendsen CN (2011) Induced pluripotent stem cells: a new
chorobom UN. Jednym z najbardziej spektakularnych przy-
revolution for clinical neurology? Lancet Neurol 10: 383-394
kładów jest praca Liu i współpracowników [43], którzy wy-
6. Robinton DA, Daley GQ (2012) The promise of induced pluripotent
korzystując neuroprogenitory uzyskane z iPSC pacjentów
stem cells in research and therapy. Nature 481: 295-305
z mutacją genu LRRK2 wykazali występowanie deformacji
7. Wernig M, Zhao JP, Pruszak J, Hedlund E, Fu D, Soldner F, Broccoli
otoczki jÄ…drowej, utratÄ™ laminy B1 oraz zawansowane zmia- V, Constantine-Paton M, Isacson O, Jaenisch R (2008) Neurons derived
from reprogrammed fibroblasts functionally integrate into the fetal
ny epigenetyczne, charakterystyczne dla procesu starzenia
brain and improve symptoms of rats with Parkinson s disease. Proc
się komórek (np. wyciszenie ekspresji genów związanych
Natl Acad Sci USA 105: 5856-5861
z neurogenezą i funkcjonowaniem neuronów). Dalsze ba-
8. Kim JE, O Sullivan, ML, Sanchez CA, Hwang M, Israel MA, Brennand
dania grupy Belmontego wykazały, iż istotnie neuroproge-
K, Deerinck TJ, Goldstein LS, Gage FH, Ellisman MH, Ghosh A (2011)
nitory z mutacją G2019S w LRRK2 tracą zdolność zarówno
172 www.postepybiochemii.pl
Investigating synapse formation and function using human pluripo- Q (2012) Direct reprogramming of Sertoli cells into multipotent neural
tent stem cell-derived neurons. Proc Natl Acad Sci USA 108: 3005-3010 stem cells by defined factors. Cell Res 22: 208-218
9. Brennand KJ, Simone A, Jou J, Gelboin-Burkhart C, Tran N, Sangar 29. Ring KL, Tong LM, Balestra ME, Javier R, Andrews-Zwilling Y, Li G,
S, Li Y, Mu Y, Chen G, Yu D, McCarthy S, Sebat J, Gage FH (2011) Walker D, Zhang WR, Kreitzer AC, Huang Y (2012) Direct reprogram-
Modelling schizophrenia using human induced pluripotent stem cells. ming of mouse and human fibroblasts into multipotent neural stem
Nature 473: 221-225 cells with a single factor. Cell Stem Cell 11: 100-109
10. Petros TJ, Tyson JA, Anderson SA (2011) Pluripotent stem cells for the 30. Marcotte ER, Pearson DM, Srivastava LK (2001) Animal models of
study of CNS development. Front Mol Neurosci 4: 30 schizophrenia: a critical review. J Psychiatry Neurosci 26: 395-410
11. Han SS, Williams LA, Eggan KC (2011) Constructing and deconstruc- 31. Van den Buuse M, Garner B, Koch M (2003) Neurodevelopmental ani-
ting stem cell models of neurological disease. Neuron 70: 626-644 mal models of schizophrenia: effects on prepulse inhibition. Curr Mol
Med 3: 459-471
12. Marchetto MC, Brennand KJ, Boyer LF, Gage FH (2011) Induced pluri-
potent stem cells (iPSCs) and neurological disease modeling: progress 32. Marchetto MC, Gage FH (2012) Modeling brain disease in a dish: real-
and promises. Hum Mol Genet 20: R109-115 ly? Cell Stem Cell 10: 642-645
13. Marchetto MC, Winner B, Gage FH (2010) Pluripotent stem cells in 33. Chailangkarn T, Acab A, Muotri AR (2012) Modeling neurodevelop-
neurodegenerative and neurodevelopmental diseases. Hum Mol Ge- mental disorders using human neurons. Curr Opin Neurobiol 22: 785-
net 19: R71-76 790
14. Bellin M, Marchetto MC, Gage, FH, Mummery CL (2012) Induced plu- 34. Ebert AD, Yu J, Rose FF, Jr, Mattis VB, Lorson CL, Thomson JA, Svend-
ripotent stem cells: the new patient? Nat Rev Mol Cell Biol 13: 713-726 sen CN (2009) Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular
atrophy patient. Nature 457: 277-280
15. Perez SE, Rebelo S, Anderson DJ (1999) Early specification of sensory
neuron fate revealed by expression and function of neurogenins in the 35. Dimos JT, Rodolfa KT, Niakan KK, Weisenthal LM, Mitsumoto H,
chick embryo. Development 126: 1715-1728 Chung W, Croft GF, Saphier G, Leibel R, Goland R, Wichterle H, Hen-
derson CE, Eggan K (2008) Induced pluripotent stem cells generated
16. Heins N, Malatesta P, Cecconi F, Nakafuku M, Tucker KL, Hack MA,
from patients with ALS can be differentiated into motor neurons.
Chapouton P, Barde YA, Gotz M (2002) Glial cells generate neurons:
Science 321: 1218-1221
the role of the transcription factor Pax6. Nat Neurosci 5: 308-315
36. Park IH, Arora N, Huo H, Maherali N, Ahfeldt T, Shimamura A,
17. Heinrich C, Blum R, Gascon S, Masserdotti G, Tripathi P, Sanchez R,
Lensch MW, Cowan C, Hochedlinger K, Daley GQ (2008) Disease-spe-
Tiedt S, Schroeder T, Gotz M, Berninger B (2010) Directing astroglia
cific induced pluripotent stem cells. Cell 134: 877-886
from the cerebral cortex into subtype specific functional neurons. PLoS
Biol 8: e1000373 37. Israel MA, Yuan SH, Bardy C, Reyna SM, Mu Y, Herrera C, Hefferan
MP, Van Gorp S, Nazor KL, Boscolo FS, Carson CT, Laurent LC, Mar-
18. Vierbuchen T, Ostermeier A, Pang ZP, Kokubu Y, Sudhof TC, Wernig
sala M, Gage FH, Remes AM, Koo EH, Goldstein LS (2012) Probing
M (2010) Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by de-
sporadic and familial Alzheimer s disease using induced pluripotent
fined factors. Nature 463: 1035-1041
stem cells. Nature 482: 216-220
19. Pang, ZP, YangN, Vierbuchen T, Ostermeier A, Fuentes DR, Yang TQ,
38. Yagi T, Ito D, Okada Y, Akamatsu W, Nihei Y, Yoshizaki T, Yamanaka
Citri A, Sebastiano V, Marro S, Sudhof TC, Wernig M (2011) Induction
S, Okano H, Suzuki N (2011) Modeling familial Alzheimer s disease
of human neuronal cells by defined transcription factors. Nature 476:
with induced pluripotent stem cells. Hum Mol Genet 20: 4530-4539
220-223
39. Nguyen HN, Byers B, Cord B, Shcheglovitov A, Byrne J, Gujar P, Kee
20. Qiang L, Fujita R, Yamashita T, Angulo S, Rhinn H, Rhee D, Doege C,
K, Schule B, Dolmetsch RE, Langston W, Palmer TD, Pera RR (2011)
Chau L, Aubry L, Vanti WB, Moreno H, Abeliovich A (2011) Directed
LRRK2 mutant iPSC-derived DA neurons demonstrate increased su-
conversion of Alzheimer s disease patient skin fibroblasts into functio-
sceptibility to oxidative stress. Cell Stem Cell 8: 267-280
nal neurons. Cell 146: 359-371
40. Egawa N, Kitaoka S, Tsukita K, Naitoh M, Takahashi K, Yamamoto T,
21. Yoo AS, Sun AX, Li L, Shcheglovitov A, Portmann T, Li Y, Lee-Messer
Adachi F, Kondo T, Okita K, Asaka I, Aoi T, Watanabe A, Yamada Y,
C, Dolmetsch R E, Tsien, RW, Crabtree GR (2011) MicroRNA-media-
Morizane A, Takahashi J, Ayaki T, Ito H, Yoshikawa K, Yamawaki S,
ted conversion of human fibroblasts to neurons. Nature 476: 228-231
Suzuki S, Watanabe D, Hioki H, Kaneko T, Makioka K, Okamoto K,
22. Ambasudhan R, Talantova M, Coleman R, Yuan X, Zhu S, Lipton SA,
Takuma H, Tamaoka A, Hasegawa K, Nonaka T, Hasegawa M, Kawa-
Ding S (2011) Direct reprogramming of adult human fibroblasts to
ta A, Yoshida M, Nakahata T, Takahashi R, Marchetto MC, Gage FH,
functional neurons under defined conditions. Cell Stem Cell 9: 113-118
Yamanaka S, Inoue H (2012) Drug screening for ALS using patient-
23. Caiazzo M, Dell Anno MT, Dvoretskova E, Lazarevic D, Taverna S, -specific induced pluripotent stem cells. Sci Transl Med 4: 145ra104
Leo D, Sotnikova TD, Menegon A, Roncaglia P, Colciago G, Russo G,
41. Jeon I, Lee N, Li JY, Park IH, Park KS, Moon J, Shim SH, Choi C, Chang
Carninci P, Pezzoli G, Gainetdinov RR, Gustincich S, Dityatev A, Broc-
DJ, Kwon J, Oh SH, Shin DA, Kim HS, Do JT, Lee DR, Kim M, Kang
coli V (2011) Direct generation of functional dopaminergic neurons
KS, Daley GQ, Brundin P, Song J (2012) Neuronal properties, in vivo
from mouse and human fibroblasts. Nature 476: 224-227
effects, and pathology of a Huntington s disease patient-derived indu-
24. Son EY, Ichida JK, Wainger BJ, Toma JS, Rafuse VF, Woolf CJ, Eggan
ced pluripotent stem cells. Stem Cells 30: 2054-2062
K (2011) Conversion of mouse and human fibroblasts into functional
42. Sanchez-Danes A, Richaud-Patin Y, Carballo-Carbajal I, Jimenez-Del-
spinal motor neurons. Cell Stem Cell 9: 205-218
gado S, Caig C, Mora S, Di Guglielmo C, Ezquerra M, Patel B, Giralt
25. Kim J, Efe JA, Zhu S, Talantova M, Yuan X, Wang S, Lipton SA, Zhang
A, Canals JM, Memo M, Alberch J, Lopez-Barneo J, Vila M, Cuervo
K, Ding S (2011) Direct reprogramming of mouse fibroblasts to neural
AM, Tolosa E, Consiglio A, Raya A (2012) Disease-specific phenotypes
progenitors. Proc Natl Acad Sci USA 108: 7838-7843
in dopamine neurons from human iPS-based models of genetic and
sporadic Parkinson s disease. EMBO Mol Med 4: 380-395
26. Han DW, Tapia N, Hermann A, Hemmer K, Hoing S, Arauzo-Bravo
MJ, Zaehres H, Wu G, Frank S, Moritz S, Greber B, Yang JH, Lee HT,
43. Liu GH, Qu J, Suzuki K, Nivet E, Li M, Montserrat N, Yi F, Xu X, Ruiz
Schwamborn JC, Storch A, Scholer HR (2012) Direct reprogramming
S, Zhang W, Wagner U, Kim A, Ren B, Li Y, Goebl A, Kim J, Soligalla
of fibroblasts into neural stem cells by defined factors. Cell Stem Cell
RD, Dubova I, Thompson J, Yates J 3rd, Esteban CR, Sancho-Martinez
10: 465-472
I, Izpisua Belmonte JC (2012) Progressive degeneration of human neu-
ral stem cells caused by pathogenic LRRK2. Nature 491: 603-607
27. Lujan E, Chanda S, Ahlenius H, Sudhof TC, Wernig M (2012) Direct
conversion of mouse fibroblasts to self-renewing, tripotent neural pre- 44. Amir RE, Van den Veyver IB, Wan M, Tran CQ, Francke U, Zoghbi
cursor cells. Proc Natl Acad Sci USA 109: 2527-2532
HY (1999) Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2,
encoding methyl-CpG-binding protein 2. Nat Genet 23: 185-188
28. Sheng C, Zheng Q, Wu J, Xu Z, Wang L, Li W, Zhang H, Zhao XY,
Liu L, Wang Z, Guo C, Wu HJ, Liu Z, He S, Wang XJ, Chen Z, Zhou
45. Neul JL, Kaufmann WE, Glaze DG, Christodoulou J, Clarke AJ, Bahi-
-Buisson N, Leonard H, Bailey ME, Schanen NC, Zappella M, Renieri
Postępy Biochemii 59 (2) 2013 173
A, Huppke P, Percy AK (2010) Rett syndrome: revised diagnostic cri- -cell-derived neurospheres promote motor functional recovery after
teria and nomenclature. Ann Neurol 68: 944-950 spinal cord injury in mice. Proc Natl Acad Sci USA 108: 16825-16830
46. Marchetto MC, Carromeu C, Acab A, Yu D, Yeo GW, Mu Y, Chen G, 54. Kobayashi Y, Okada Y, Itakura G, Iwai H, Nishimura S, Yasuda A,
Gage FH, Muotri AR (2010) A model for neural development and tre- Nori S, Hikishima K, Konomi T, Fujiyoshi K, Tsuji O, Toyama Y,
atment of Rett syndrome using human induced pluripotent stem cells. Yamanaka S, Nakamura M, Okano H (2012) Pre-evaluated safe hu-
Cell 143: 527-539 man iPSC-derived neural stem cells promote functional recovery after
spinal cord injury in common marmoset without tumorigenicity. PLoS
47. Kim KY, Hysolli E, Park IH (2011) Neuronal maturation defect in in-
One 7: e52787
duced pluripotent stem cells from patients with Rett syndrome. Proc
Natl Acad Sci USA 108: 14169-14174 55. Oki K, Tatarishvili J, Wood J, Koch P, Wattananit S, Mine Y, Monni E,
Tornero D, Ahlenius H, Ladewig J, Brustle O, Lindvall O, Kokaia Z
48. Cheung AY, Horvath LM, Grafodatskaya D, Pasceri P, Weksberg R,
(2012) Human-induced pluripotent stem cells form functional neurons
Hotta A, Carrel L, Ellis J (2011) Isolation of MECP2-null Rett Syndrome
and improve recovery after grafting in stroke-damaged brain. Stem
patient hiPS cells and isogenic controls through X-chromosome inacti-
Cells 30: 1120-1133
vation. Hum Mol Genet 20: 2103-2115
56. Tucker BA, Park IH, Qi SD, Klassen HJ, Jiang C, Yao J, Redenti S, Daley
49. Harrison PJ (1999) The neuropathology of schizophrenia. A critical re-
GQ, Young MJ (2011) Transplantation of adult mouse iPS cell-derived
view of the data and their interpretation. Brain 122: 593-624
photoreceptor precursors restores retinal structure and function in de-
50. Nakamura M, Okano H (2013) Cell transplantation therapies for spinal
generative mice. PLoS One 6: e18992
cord injury focusing on induced pluripotent stem cells. Cell Res 23: 70-
57. Hargus G, Cooper O, Deleidi M, Levy A, Lee K, Marlow E, Yow A,
80
Soldner F, Hockemeyer D, Hallett PJ, Osborn T, Jaenisch R, Isacson O
51. Macias M (2008) Injury induced dendritic plasticity in the mature cen-
(2010) Differentiated Parkinson patient-derived induced pluripotent
tral nervous system. Acta Neurobiol Exp (Wars) 68: 334-346
stem cells grow in the adult rodent brain and reduce motor asymmetry
52. Tsuji O, Miura K, Okada Y, Fujiyoshi K, Mukaino M, Nagoshi N,
in Parkinsonian rats. Proc Natl Acad Sci USA 107: 15921-15926
Kitamura K, Kumagai G, Nishino M, Tomisato S, Higashi H, Nagai
58. Chae JI, Kim DW, Lee N, Jeon YJ, Jeon I, Kwon J, Kim J, Soh Y, Lee
T, Katoh H, Kohda K, Matsuzaki Y, Yuzaki M, Ikeda E, Toyama Y,
DS, Seo KS, Choi NJ, Park BC, Kang SH, Ryu J, Oh SH, Shin DA, Lee
Nakamura M, Yamanaka S, Okano H (2010) Therapeutic potential of
DR, Do JT, Park IH, Daley GQ, Song J (2012) Quantitative proteomic
appropriately evaluated safe-induced pluripotent stem cells for spinal
analysis of induced pluripotent stem cells derived from a human Hun-
cord injury. Proc Natl Acad Sci USA 107: 12704-12709
tington s disease patient. Biochem J 446: 359-371
53. Nori S, Okada Y, Yasuda A, Tsuji O, Takahashi Y, Kobayashi Y, Fujiy-
59. Mariani J, Simonini MV, Palejev D, Tomasini L, Coppola G, Szekely
oshi K, Koike M, Uchiyama Y, Ikeda E, Toyama Y, Yamanaka S, Naka-
AM, Horvath TL, Vaccarino FM (2012) Modeling human cortical deve-
mura M, Okano H (2011) Grafted human-induced pluripotent stem-
lopment in vitro using induced pluripotent stem cells. Proc Natl Acad
Sci USA 109: 12770-12775
Why do we need induced pluripotent stem cells in neurobiology?
Ewa Liszewska*, Jacek Jaworski*
International Institute of Molecular and Cell Biology, 4 Ks. Trojdena Str., 02-109, Warsaw, Poland
*
e-mail: [e-mail], [e-mail]
Key words: induced neurons, induced pluripotent stem cells, nervous system pathology, cell reprogramming, regenerative medicine, disease
modeling.
ABSTRACT
Reprogramming of somatic cells made possible to study in vitro inaccessible human cells, such as different types of neurons. Almost imme-
diate consequence of the emergence of this technology was the development of a number of cellular models of the nervous system diseases.
They are used both to explore the cellular mechanisms of these diseases and for the development of new pharmacological strategies. Repro-
grammed cells are also a potential alternative to embryonic stem cells for transplantation. This article presents the most important achieve-
ments in the use of cell reprogramming technology in neurobiology and at the same time points out the limitations of the methodology and
the expected directions of its development.
174 www.postepybiochemii.pl