Genes & CellsGenes & CellsГены и КлеткиGenes and Cells2313-18292500-2562Human Stem Cells Institute12058410.23868/gc120584ArticlesСтатьиResearch ArticleNeural differentiation of patient-specific induced pluripotent stem cells from patients with a hereditary form of spinal muscular atrophyДИФФЕРЕНЦИРОВКА В НЕЙРАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ ПАЦИЕНТ-СПЕЦИФИЧНЫХ ИНДУЦИРОВАННЫХ ПЛЮРИПОТЕНТНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК ОТ БОЛЬНЫХ С НАСЛЕДСТВЕННОЙ ФОРМОЙ СПИНАЛЬНОЙ МЫШЕЧНОЙ АТРОФИИGrigor'evaE. VГоигорьеваЕ. ВValetdinovaK. RВалетдиноваК. РUstyantsevaE. IУстьянцеваЕ. ИShevchenkoA. IШевченкоА. ИMedvedevS. PМедведевСП. PMazurokN. AМазурокН. АMaretinaM. AМаретинаМ. АKuranovaM. LКурановаМ. ЛKiselevA. VКиселевА. ВBaranovV. SБарановВ. СZakianS. MЗакиянС. Мzakian@bionet.nsc.ruFederal Research Center Institute of Cytology and Genetics, the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики СО РАН»Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesФГБНУ «Институтхимической биологии и фундаментальной медицины СО РАН»State Research Institute of Circulation Pathology, Ministry of Healthcare of the Russian FederationФГБУ «Новосибирский научно-исследовательский институт патологии кровообращения имени академика Е.Н. Мешалкина» Министерства здравоохранения РФNational Research University Novosibirsk State UniversityНовосибирский национальный исследовательский государственный университетThe Research Institute of Obstetrics, Gynecology and Reproductology named after D.O. OttФГБНУ «НИИ акушерства, гинекологии и репродуктологии им. Д.О. Отта»Saint-Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университетInstitute of Cytology of the Russian Academy of ScienceФГБНУ «Институт цитологии РАН»15062016112VOL 11, NO2 (2016)ТОМ 11, №2 (2016)708105012023Copyright ©; 2016, Eco-VectorCopyright ©; 2016, Эко-Вектор2016Eco-VectorЭко-Векторhttps://genescells.ru/2313-1829/article/view/120584

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) give the possibility for disease modeling, drug and toxicology screening and development of the new therapeutic approaches. Directed differentiation of iPSCs into specialized cell types represents a unique tool in order to study and model certain diseases, which affects specific type of cells, in vitro. One of the typical example of such diseases is spinal muscular atrophy, which is caused by mutations in the SMN1 gene (survival motor neuron 1 gene), leading to selective death of motor neurons. Patient-specific iPSCs were derived from the patient with a hereditary form of spinal muscular atrophy I type and expressed the markers of pluripotency (NANOG, TRA-1-60, SSEA4, OCT4, KLF4, MYC, REX1, and others). Spontaneous differentiation of the obtained cells resulted in the appearance of derivatives of the three germ layers: ecto-, meso- and endoderm. Neural differentiation showed the appearance of the early neural markers (PAX6, SOX2, NESTIN, TuJ1, PSA-NCAM), the late mature neural markers (MAP2, NF200, GFAP), and the mature motor neurons' markers (ISL1 and CHAT). Neurons derived from patient-specific iPSCs are perspective model for studying the features of the cells, which are altered in spinal muscular atrophy.

Благодаря использованию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (ИПСК) появилась возможность моделирования процессов заболеваний, скрининга лекарственных средств и токсикологического скрининга, развития новых терапевтических подходов. Направленная дифференцировка ИПСК в узкоспециализированные виды клеток представляет уникальный инструмент для изучения и моделирования ряда заболеваний, поражающих специфические типы клеток. Одним из таких заболеваний является спинальная мышечная атрофия, которая вызывается мутациями в гене SMN1 (survival motor neuron gene 1), приводящими к избирательной гибели моторных нейронов. От больного с наследственной формой спинальной мышечной атрофии I типа получены пациент-специфичные ИПСК, экспрессирующие маркёры плюрипотентности (NANOG, TRA-1-60, SSEA4, OCT4, KLF4, MYC, REX1 и другие). Спонтанная дифференцировка полученных линий вызвала появление производных трёх зародышевых листков: экто-, мезо- и энтодермы. Дифференцировка в нейральном направлении показала появление ранних нейральных маркёров (PAX6, SOX2, NESTIN, TuJ1, PSA-NCAM) и более поздних (MAP2, NF200, GFAP) маркёров зрелых нейронов, в том числе маркёров зрелых моторных нейронов (ISL1, CHAT). Нейроны, полученные из пациент-специфичных ИПСК представляют собой перспективную модель для изучения особенностей клеток, измененных при спинальной мышечной атрофии.

спинальная мышечная атрофияпациент-специфичные индуцированные плюрипотентные стволовые клеткидифференцировка в нейральном направленииВалетдинова К.Р., Медведев С.П., Закиян С.М. Модельные системы болезней двигательных нейронов - платформа для изучения механизмов патогенеза и поиска терапевтических средств. Acta Naturae 2015; 7(1 ): 92-109.Munsat T.L., Davies K.E. International SMA consortium meeting. (26-28 June 1992, Bonn, Germany). Neuromuscul Disord. 1992; 2(5-6): 423-8.Chen H., Qian K., Du Z. et al. Modeling ALS with iPSCs reveals that mutant SOD1 misregulates neurofilament balance in motor neurons. Cell Stem Cell 2014; 14(6): 796-809.Ebert A.D., Yu J., Rose F.F. Jr. et al. Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature 2009; 457(7227): 277-80.Hu B.Y., Weick J.P., Yu J. et al. Neural differentiation of human induced pluripotent stem cells follows developmental principles but with variable potency. PNAS USA 2010; 107(9): 4335-40.Okita K., Matsumura Y., Sato Y., et al. A more efficient method to generate integration-free human iPS cells. Nat. Methods 2011; 8(5): 409-12.Okita K., Yamakawa T., Matsumura Y. et al. An efficient nonviral method to generate integration-free human-induced pluripotent stem cells from cord blood and peripheral blood cells. Stem Cells 2013; 31(3): 458-66.van der Steege G., Grootscholten P.M., van der Vlies P., et al. PCR-based DNA test to confirm clinical diagnosis of autosomal recessive spinal muscular atrophy. Lancet 1995; 345(8955): 985-6.Marini M., Sasongko T.H., Watihayati M.S. et al. Allele-specific PCR for a cost-effective & time-efficient diagnostic screening of spinal muscular atrophy. Indian J. Med. Res. 2012; 135: 31-5.Zheleznyakova G.Y., Kiselev A.V., Vakharlovsky V.G. et al. Genetic and expression studies of SMN2 gene in Russian patients with spinal muscular atrophy type II and III. BMC Med. Genet. 2011; 12: 96.Ma W., Tavakoli T., Derby E. et al. Cell-extracellular matrix interactions regulate neural differentiation of human embryonic stem cells. BMC Dev. Biol. 2008; 8: 90.Hu B.Y., Zhang S.C. Differentiation of spinal motor neurons from pluripotent human stem cells. Nat. Protoc. 2009; 4(9): 1295-304.Medvedev S.P., Grigor'eva E.V., Shevchenko A.I. et al. Human induced pluripotent stem cells derived from fetal neural stem cells successfully undergo directed differentiation into cartilage. Stem Cells Dev. 2011; 20(6): 1099-112.Григорьева Е.В., Шевченко А.И., Медведев С.П. и др. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки гибридов полёвок Microtus levis X Microtus arvalis: условия, необходимые для получения и поддержания. Acta Naturae 2015; 17(4): 64-78.Meyer K., Ferraiuolo L., Miranda C.J. et al. Direct conversion of patient fibroblasts demonstrates non-cell autonomous toxicity of astrocytes to motor neurons in familial and sporadic ALS. PNAS USA 2014; 111(2): 829-32.Ruscheweyh R., Forsthuber L., Schoffnegger D. et al. Modification of classical neurochemical markers in identified primary afferent neurons with Abeta-, Adelta-, and C-fibers after chronic constriction injury in mice. J. Comp. Neurol. 2007; 502(2): 325-36.Milligan C.J., Edwards I.J., Deuchars J. HCN1 ion channel immunoreactivity in spinal cord and medulla oblongata. Brain Res. 2006; 1081(1): 79-91.Albala J.S., Kress Y., Liu W.K. et al. Human microtubule-associated protein-2c localizes to dendrites and axons in fetal spinal motor neurons. J. Neurochem. 1995; 64(6): 2480-90.Shimozaki K. Sox2 transcription network acts as a molecular switch to regulate properties of neural stem cells. World J. Stem Cells 2014; 6(4): 485-90.Zhang X., Huang C.T., Chen J. et al. Pax6 is a human neuroectoderm cell fate determinant. Cell Stem Cell 2010; 7(1): 90-100.Liang X., Song M.R., Xu Z., et al. Isl1 is required for multiple aspects of motor neuron development. Mol. Cell Neurosci. 2011; 47(3): 215-22.