統合のない誘導性多能性幹細胞は、ダウン症候群の遺伝的および神経発達の特徴をモデル化する

ダウン症候群（DS）は、ヒト先天性精神遅滞の最も頻繁な原因です。DSの認知障害は、発達中と成人組織の両方での正常な細胞プロセスの摂動に起因しますが、DS病理学の根底にあるメカニズムはあまり理解されていません。誘導された多能性幹細胞（IPSC）がDS​​表現型をモデル化する能力を評価するために、原型の複雑なヒト疾患として、エピソーマの再プログラミングにより真正なDSおよび野生型（WT）非ウイルスIPSCを生成しました。DS IPSCは、ゲノム全体の何千もの遺伝子の規制緩和に関連する遺伝子投与量と一致する染色体21遺伝子を選択的に過剰発現しました。DSおよびWT IPSCは、95％を超える効率で神経に変換され、初期の時点で非常に類似した系統の効力、分化速度、増殖、および軸索の拡張が著しく変換されました。しかし、後の時点で、DS培養物はグリア系統に対する2倍のバイアスを示しました。さらに、DSニューラル培養は、酸化ストレス誘発アポトーシスに対して最大2倍の敏感であり、これは抗酸化剤N-アセチルシステインによって防止される可能性があります。我々の結果は、DS発生表現型の根底にある可能性が高いTrisomy 21によって引き起こされる遺伝的変化の顕著な複雑さを明らかにし、DS脳の発達障害を確立する上での初期グリア発達の欠陥の中心的な役割を示しています。さらに、酸化ストレス感度は、DSで見られる加速神経変性に寄与する可能性が高く、DS IPSCとその誘導体を使用して矯正治療法をスクリーニングするための概念の証明を提供します。したがって、非ウイルス性DS IPSCは、in vitroで複雑なヒト疾患の特徴をモデル化し、再生可能で倫理的に妨げられていない発見プラットフォームを提供できます。

Down syndrome (DS) is the most frequent cause of human congenital mental retardation. Cognitive deficits in DS result from perturbations of normal cellular processes both during development and in adult tissues, but the mechanisms underlying DS etiology remain poorly understood. To assess the ability of induced pluripotent stem cells (iPSCs) to model DS phenotypes, as a prototypical complex human disease, we generated bona fide DS and wild-type (WT) nonviral iPSCs by episomal reprogramming. DS iPSCs selectively overexpressed chromosome 21 genes, consistent with gene dosage, which was associated with deregulation of thousands of genes throughout the genome. DS and WT iPSCs were neurally converted at >95% efficiency and had remarkably similar lineage potency, differentiation kinetics, proliferation, and axon extension at early time points. However, at later time points DS cultures showed a twofold bias toward glial lineages. Moreover, DS neural cultures were up to two times more sensitive to oxidative stress-induced apoptosis, and this could be prevented by the antioxidant N-acetylcysteine. Our results reveal a striking complexity in the genetic alterations caused by trisomy 21 that are likely to underlie DS developmental phenotypes, and indicate a central role for defective early glial development in establishing developmental defects in DS brains. Furthermore, oxidative stress sensitivity is likely to contribute to the accelerated neurodegeneration seen in DS, and we provide proof of concept for screening corrective therapeutics using DS iPSCs and their derivatives. Nonviral DS iPSCs can therefore model features of complex human disease in vitro and provide a renewable and ethically unencumbered discovery platform.