Neuron | 戚乐等绘制85株家族性痴呆iPSC系的多组学图谱揭示细胞异质性与类器官发育调控因子

人诱导多能干细胞（iPSC）为研究遗传风险因素如何致病提供了独特平台，可规模化分化为难以获取的疾病相关细胞类型。然而，不同iPSC系之间在多能性、分化潜能及基因组与转录组特征上存在显著异质性；重编程、传代与基因编辑过程中还会产生新发突变，尤其是结构变异。这些因素会放大实验噪音、掩盖真实的疾病相关生物学差异。尽管已有大型项目对iPSC衍生细胞开展了多组学刻画，但针对携带高外显率致病突变的未分化iPSC及其同基因对照的系统性表征仍十分少见，编辑与培养过程引入的潜在混杂突变也缺乏大规模分析。Tau Consortium Stem Cell Group此前构建了100余株携带显性遗传MAPT突变的iPSC系及其基因编辑同基因对照，已分发至70多个实验室并支持了大量研究，但这一资源的分子特征一直缺乏全面刻画。

2026年10月14日，美国加州大学洛杉矶分校Daniel H. Geschwind团队与纽约神经干细胞研究所Sally Temple团队合作，在Neuron期刊发表题为Multi-omic profiling of 85 iPSC lines from familial dementia reveals cellular diversity and regulators of organoid development的资源型研究论文（NeuroResource），戚乐与Taylor Bertucci博士为共同第一作者。研究对85株携带MAPT突变的iPSC系及同基因对照进行了全基因组测序、MAPT位点长读长测序、传统与单细胞转录组测序及DNA甲基化芯片的多组学分析，鉴定出四种可重复的iPSC细胞状态及其表面标志物，发现基因编辑中被遗漏的非预期编辑事件，揭示了反复出现的20q11.21重复通过上调ID1影响大脑皮层类器官分化，并证明CRISPR编辑与克隆筛选本身会改变p53与干扰素信号通路。

该队列涵盖来自25名欧洲血统供体的85株iPSC系，其中20名供体携带9种不同的MAPT突变，2名为特发性进行性核上性麻痹（PSP）患者，3名为健康对照。细胞系包括41株亲本系、29株经CRISPR编辑成功的转化系，以及15株经历相同编辑流程但目标位点未被编辑的未转化系，后者用于控制编辑过程本身的影响。所有细胞系分9个批次培养，每批均纳入同一对照系用于标准化。

单细胞转录组测序经自助法确定稳定聚类参数后，在大多数细胞系中鉴定出4个稳定的细胞簇，其中3个存在于所有细胞系中。模块评分显示，iPSC-1最接近形成态（formative）多能性并富集细胞周期通路，iPSC-2呈现最强的始发态（primed）特征，iPSC-3居中；第四个细胞簇的核心多能性基因表达较低且波动较大，部分细胞映射至早期分化谱系，被命名为“分化预备态iPSC”（poised iPSC）。该细胞簇的比例在不同细胞系间差异显著，供体身份是其主要来源：类器官形成能力极差、易产生中内胚层脱靶细胞的某供体细胞系，其poised细胞比例异常偏高；而使用FGF2缓释微球培养可显著降低这一比例。由于poised比例与传代数及传统分化标志物SSEA1均无显著相关，研究提出它反映了现有质控手段无法捕获的、独立的iPSC质量维度，并发现CADM2、IL17RD与ITGA6的组合表达即可区分全部4个细胞簇，为将其纳入常规质控提供了候选表面标志物。

在基因组层面，全基因组测序发现两名登记为不同个体的供体实际具有完全相同的遗传背景，并有5株细胞系的MAPT基因型与记录不符。其中两株共享S305突变位点附近同一个10 bp的移码缺失；一株被认为是已校正的野生型对照，实际携带一个156 bp的框内缺失，恰好删除了原R406W突变所在区域，由于该缺失同时去除了引物结合位点，Sanger测序未能发现。在全基因组范围内，该队列中位于约束基因或神经退行性/神经发育疾病相关基因中的罕见蛋白改变变异仅略高于gnomAD非芬兰欧洲人群均值，比参考iPSC系KOLF2.1J少约65%，且大多为供体特有的胚系变异。研究未检出此前报道的iPSC培养中反复出现的癌症相关点突变，唯一例外是约20%的细胞系中存在的20q11.21重复（20q DUP）。

这一约1 Mb的重复小于常规核型分析的分辨率（3–5 Mb），因此所有细胞系均通过了核型质控。其拷贝数与传代数显著相关（Spearman ρ=0.54，p=5.24×10⁻⁸），携带该重复的细胞系中HM13、ID1、BCL2L1、TPX2与PDRG1等区域内基因显著上调。在皮层类器官图式形成较差的细胞系中，半数携带20q DUP，而图式形成良好的细胞系均不携带（p=0.043）。通路分析显示，20q DUP伴随凋亡调控、MAPK、PI3K以及TGF-β/SMAD信号通路的上调。研究团队进一步证实，TGF-β受体抑制剂SB431542可降低iPSC中ID1与NANOG的表达，而过表达SMAD2或SMAD3则使其升高，据此提出ID1拷贝数增加使iPSC对TGF-β信号更敏感的模型。与此一致，在受检细胞系中，标准浓度（10 μM）SB431542即可形成良好图式的6株细胞系均为野生型，而全部10株携带20q DUP的细胞系都需要20 μM才能成功分化，提示除已知的BCL2L1外，ID1也是20q DUP损害神经分化的重要贡献者，而提高SB431542浓度是一种简便有效的补救策略。值得注意的是，上述poised比例偏高的供体细胞系并不携带20q DUP，说明类器官图式形成能力受多种独立因素调控。

为更广泛地探究调控类器官图式形成的分子通路，研究团队在控制20q DUP状态后比较了图式形成良好与较差的细胞系。良好细胞系中突触传递、离子转运、G蛋白偶联受体、整合素与胶原代谢相关基因上调，而线粒体功能、核糖体生物发生及细胞周期/DNA复制相关基因下调，DNA甲基化变化与之高度一致。结合全基因组CRISPRi扰动测序数据的分析显示，敲低线粒体蛋白TOMM40或蛋白翻译相关基因可使转录组向良好细胞系的方向转变，而敲低WNT信号或其正调控因子RAC1则产生相反效果，提示较强的线粒体与蛋白合成活性可能是部分细胞系抵抗皮层图式形成的原因之一。

最后，研究利用队列中大量的同基因细胞系，评估了基因编辑本身的影响。编辑成功的转化系与未转化系之间未检出任何显著差异表达基因，说明无论编辑是否成功，编辑流程的影响是相似的；而两者与未经编辑的亲本系相比则存在大量差异表达基因，且p53/DNA损伤信号与干扰素应答通路显著下调，即便匹配传代数亦然。研究认为这很可能反映了生存者偏倚：下调这些增殖抑制通路的克隆在筛选中更具竞争优势。因此，以亲本系作为对照可能会将编辑过程带来的变化误判为突变效应，应优先选用平行处理的未转化系作为同基因对照。

综上所述，本研究构建了迄今规模最大的人iPSC系统性多组学图谱之一，揭示了未分化iPSC中可重复的细胞状态异质性、编辑与传代引入的基因组改变及其对类器官分化的功能影响。基于这些发现，研究团队提出了一系列实用质控建议：对新建立的细胞系进行30×全基因组测序（或外显子测序），并每5–10代通过低深度测序或qPCR监测20q DUP等结构变异；对已携带20q DUP的细胞系滴定SB431542浓度；CRISPR编辑后测序足够长的目标区域以纳入杂合SNP，避免大片段缺失被遗漏；以及优先使用平行编辑的未转化克隆作为对照。相关加工数据与代码已在GEO和Zenodo公开，原始数据以受控访问形式存放于NIAGADS，为iPSC疾病建模研究的可重复性与可解释性提供了重要资源。

https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(26)00732-4

制版人： 十一

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