Mitochondrial gene replacement in human pluripotent stem cell-derived neural progenitors.

Iyer S, Xiao E, Alsayegh K, Eroshenko N, Riggs MJ, Bennett JP Jr, Rao RR.

Abstract

Human pluripotent stem cell-derived neural progenitor (hNP) cells are an excellent resource for understanding early neural development and neurodegenerative disorders. Given that many neurodegenerative disorders can be correlated with defects in the mitochondrial genome, optimal utilization of hNP cells requires an ability to manipulate and monitor changes in the mitochondria. Here, we describe a novel approach that uses recombinant human mitochondrial transcription factor A (rhTFAM) protein to transfect and express a pathogenic mitochondrial genome (mtDNA) carrying the G11778A mutation associated with Leber's hereditary optic neuropathy (LHON) disease, into dideoxycytidine (ddC)-treated hNPs. Treatment with ddC reduced endogenous mtDNA and gene expression, without loss of hNP phenotypic markers. Entry of G11778A mtDNA complexed with the rhTFAM was observed in mitochondria of ddC-hNPs. Expression of the pathogenic RNA was confirmed by restriction enzyme analysis of the SfaN1-digested cDNA. On the basis of the expression of neuron-specific class III beta-tubulin, neuronal differentiation occurred. Our results show for the first time that pathogenic mtDNA can be introduced and expressed into hNPs without loss of phenotype or neuronal differentiation potential. This mitochondrial gene replacement technology allows for creation of in vitro stem cell-based models useful for understanding neuronal development and treatment of neurodegenerative disorders

Iyer S, Xiao E, Alsayegh K, Eroshenko N, Riggs MJ, Bennett JP Jr, Rao RR.

Gene Therapy, 2011

سلول های پیش ساز عصبی (hNP) مشتق شده از سلول های بنیادی پرتوان انسانی، منبع با ارزشی برای درک مراحل اولیه تکامل سیستم عصبی و بیماری های تخریب کننده سیستم عصبی می باشند. با توجه به اینکه بسیاری از بیماری های تخریب کننده عصبی به وجود نقص هایی در ژنوم میتوکندری مرتبطند، استفاده مناسب از سلول های hNP مستلزم ایجاد دستکاری هایی در ژنوم میتوکندری ها و دنبال کردن این تغییرات می باشد. در این مقاله، در روشی نوین، از پروتئین فاکتور رونویسی میتوکندریایی نوترکیب انسانی (rhTFAM) برای ورود و بیان یک ژن بیماری زای میتوکندریایی (mtDNA) حاوی جهش G11778A مرتبط با بیماری عصبی-چشمی وراثتی Leber's (LHON) در سلول های hNP تیمار شده با دی دزوکسی سیتیدین (ddC) استفاده شد. تیمار با ddC، بدون اینکه باعث کاهش مارکرهای فنوتیپی hNP گردد، منجر به کاهش بیان ژن و mtDNA درونی شد. ورود G11778A mtDNA در حالت کمپلکس شده با rhTFAM در میتوکندری های سلول های ddC-hNP مشاهده شد. بیان RNA بیماری زا از طریق روش آنالیز با آنزیم محدودالاثر در cDNA برش زده با SfaN1 تایید شد. براساس بیان بتا توبولین رده III اختصاصی نورون، مشخص شد که تمایز به سمت نورون ها اتفاق افتاده است. نتایج حاصل برای اولین بار نشان می دهند که  وارد کردن و بیان  mtDNA بیماری زا در hNP بدون از دست رفتن خصوصیات فنوتیپی سلول ها یا توانایی آن ها در تمایز به نورون ها امکانپذیر می باشد. تکنولوژی جایگزینی ژن میتوکندریایی امکان ساخت مدل های آزمایشگاهی برپایه سلول های بنیادی را فراهم می کند که این مدل ها برای درک تکامل سیستم عصبی  و درمان بیماری های تخریب کننده عصبی، ابزارهای مفیدی خواهند بود.

..