$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Zdolność do przeprogramowania ludzkich komórek somatycznych w embrionalne indukowane komórki macierzyste (iPSC) została po raz pierwszy odkryta przez Takahashi et al. w 2007 roku1. Wykazano, że ludzkie fibroblasty skóry transdukowane retrowirusami wyrażającymi cztery czynniki transkrypcyjne (tak zwane czynniki Yamanaka Oct3/4, Sox2, c-Myc i Klf4) okazały się bardzo podobne do ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hESC) w oparciu o morfologię, proliferację, ekspresję genów i status epigenetyczny; Co najważniejsze, iPSC są również zdolne do różnicowania się w komórki wszystkich trzech listków rozrodczych1. Potencjał proliferacyjny i zdolność różnicowania iPSC sprawiają, że są one bardzo atrakcyjnymi narzędziami; Dzięki przeprogramowaniu komórek pochodzących od pacjentów cierpiących na określone choroby, komórki iPS mogą być wykorzystywane zarówno jako systemy modelowe chorób in vitro, jak i jako potencjalne środki terapeutyczne.
Dla tego ostatniego celu, kilka kwestii musi zostać poruszonych, zanim pełny potencjał iPSC w warunkach klinicznych będzie mógł zostać zrealizowany; potencjał rakotwórczy hodowanych in vitro hESC i iPSC, użycie pochodnych ksenogennych podczas przeprogramowania i utrzymania komórek oraz potrzeba śledzenia przeszczepionych komórek in vivo są kluczowymi przeszkodami w klinicznym zastosowaniu pluripotencjalnych komórek macierzystych (Sprawdzone przez Hentze et at.2). Idealnym rozwiązaniem potrzeby śledzenia zróżnicowanych komórek po przeszczepie byłby wizualnie wykrywalny marker, który jest odporny na wyciszanie i różnorodność niezależnie od zastosowania. Silna i trwała ekspresja zintegrowanych transgenów jest najłatwiejsza do osiągnięcia, gdy egzogenne DNA jest wprowadzane do loci "bezpiecznej przystani"; Oznacza to, że miejsca genomowe umożliwiają wystarczającą transkrypcję zintegrowanego wektora, jednocześnie łagodząc zaburzenia ekspresji w sąsiednich genach3. Jednym z takich miejsc, które zostało bardzo dobrze scharakteryzowane od czasu jego odkrycia, jest miejsce integracji wirusa związanego z adenowirusem 1 (AAVS1), w pierwszym intronie genu podjednostki regulatorowej 12C (PPP1R12C) fosfatazy białkowej 1. Wykazano, że locus ten nie tylko umożliwia trwałą i solidną ekspresję zintegrowanych transgenów poprzez wydłużony czas w hodowli i różnicowaniu in vitro 3, ale także chroni otaczające geny przed zaburzeniami transkrypcji4; Uważa się, że obie cechy wynikają z obecności endogennych elementów izolatora chromatyny otaczających miejsceAAVS1 5.
Postępy w narzędziach inżynierii genomu w ciągu ostatniej dekady znacznie ułatwiły łatwość i efektywność, z jaką można osiągnąć manipulacje genetyczne w dowolnym typie komórki. Podczas gdy wczesne udane eksperymenty opierały się na niezwykle niskich poziomach endogennej rekombinacji homologicznej (HR) z wprowadzonym dawcą w celu osiągnięcia celowania genów w ESC6,7, zastosowanie nukleaz specyficznych dla miejsca, takich jak nukleazy palca cynkowego (ZFN), które znacząco indukują rekombinację homologiczną poprzez generowanie dwuniciowego pęknięcia DNA, znacznie zwiększyło skuteczność takich eksperymentów8,9. Ponowne wykorzystanie zarówno efektorów podobnych do aktywatorów transkrypcji (TALE) patogennych dla roślin rodzajów Xanthomonas, jak i prokariotycznego systemu zgrupowanych, regularnie rozmieszczonych krótkich powtórzeń palindromicznych (CRISPR)/Cas9 w wydajne, specyficzne dla miejsca nukleazy zaprojektowane sprawiły, że celowanie genów w pluripotencjalne komórki macierzyste stało się dostępną i praktyczną metodologią10-13.
Niedawny artykuł opisywał skuteczną metodę stabilnej integracji zielonej kasety reporterowej fluorescencyjnej z locus bezpiecznej przystani AAVS1 w ludzkich iPSC przy użyciu nukleaz TALE (TALENs)14. Te ukierunkowane iPSC zachowały swoją fluorescencję nawet po skierowanym różnicowaniu do kardiomiocytów i przeszczepieniu do mysiego modelu zawału mięśnia sercowego (MI), dostarczając mocnych dowodów na użyteczność takich stabilnie fluorescencyjnych pluripotencjalnych komórek macierzystych14. Aby uzyskać docelowe kolonie, zastosowano metodę pułapki genowej, w której sekwencja peptydu samorozszczepiającego 2A za pomocą syplingu-akceptora (SA) umieszcza gen N-acetylotransferazy puromycyny (PAC) pod kontrolą endogennego promotora PPP1R12C; w związku z tym tylko iPSC, które włączyły dawcę DNA w locus AAVS1, wyrażają PAC, co czyni je wybieralnymi na podstawie oporności na puromycynę; (Rysunek 1,15). Protokół ten szczegółowo opisuje procedury generowania iPSC AAVS1-GFP opisane w niedawnym artykule14, w tym proces transfekcji iPSC za pomocą TALEN-ów i dawcy 9,8 kb w celu integracji fragmentu DNA o wielkości 4,2 kb z locus bezpiecznej przystani AAVS1, selekcji iPSC na podstawie oporności na puromycynę i wybierania kolonii do ekspansji klonalnej. Techniki opisane w niniejszym dokumencie mogą być stosowane do wielu eksperymentów inżynierii genomu.