《Neuron》：Multi-omic profiling of 85 iPSC lines from familial dementia reveals cellular diversity and regulators of organoid development
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对携带疾病相关突变的人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）系进行系统性分子表征，是区分疾病相关生物学与细胞状态、基因组完整性及基因组编辑历史所引入变异的必要步骤，然而此类系统性表征并不常见。研究人员对85株携带
对携带疾病相关突变的人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPSC）系进行系统性分子表征，是区分疾病相关生物学与细胞状态、基因组完整性及基因组编辑历史所引入变异的必要步骤，然而此类系统性表征并不常见。研究人员对85株携带MAPT突变及其同源对照的人iPSC系，采用全基因组测序（whole-genome sequencing，WGS）、MAPT位点长读长测序、批量与单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）以及DNA甲基化芯片进行表征。单细胞分析识别出四种可重复的iPSC状态及用于分选的候选表面标志物。WGS揭示非预期编辑事件与复发性20q11.21重复，后者伴随ID1上调并损害皮质类器官模式化。转录组分析鉴定出与类器官质量相关的通路，以及克隆筛选和编辑引起的变化，强调应使用未转化系作为同源对照。通过提供MAPT iPSC的深入基因组表征，该数据集可作为提升iPSC在生物学研究中可用性的概念验证。
研究背景方面，患者来源iPSC为研究遗传风险因子致人类疾病提供了独特机会，并可经定向分化获得疾病相关且体内难以获取的细胞类型，从而支持阿尔茨海默病、额颞叶痴呆（frontotemporal dementia，FTD）、肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）等神经退行性疾病的高通量功能研究。已有大型计划生成数百供体iPSC系并验证多能性、基因组完整性与分化潜能，但iPSC系间存在多能性、分化潜能、基因组与转录组景观等异质性，会增加实验变异性并掩盖疾病相关差异。未分化iPSC、尤其携带高外显疾病相关突变及其同源对照的全面分析仍较少；编辑或培养引入的异质性与混杂突变也缺乏大规模评估。由于患者突变罕见，单实验室通常缺乏足够广泛集合以比较相同突变、跨突变及独立验证。Tau Consortium Stem Cell Group虽生成百余株显性遗传MAPT突变iPSC及同源对照并分发多国实验室，但亟需对未分化阶段进行基因组、表观组与转录组系统表征，以提升实验一致性与结果可解释性。该论文发表于《Neuron》。
关键方法方面，研究人员构建85株iPSC系队列，来源为25名欧洲祖源供体，含20名MAPT突变供体、2名特发性进行性核上性麻痹（progressive supranuclear palsy，PSP）供体与3名健康对照；包括亲本系、CRISPR编辑后未转化（unconverted）与已转化（converted）同源系。技术方法涵盖30× WGS、MAPT位点PacBio长读长测序、批量RNA-seq、scRNA-seq与Illumina 850K Infinium MethylationEPIC DNA甲基化芯片；以单批次对照系F11350-1标准化，采用lot-matched培养试剂与低传代克隆，并进行核型、支原体与多能性质量控制。
研究结果方面，第一部分为iPSC队列描述与分子表征。研究人员对85株MAPT相关iPSC系及对照进行WGS、长读长MAPT位点测序、批量与scRNA-seq、DNA甲基化阵列，明确队列结构与多模态数据覆盖。
第二部分为iPSC系内细胞与转录异质性。研究人员通过scRNA-seq与bootstrap稳定聚类，在多数系中发现4个稳定簇：iPSC-1、iPSC-2、iPSC-3及poised iPSC；前三者各系共有，poised簇比例随系变化并反映常规质量控制未捕获的质量维度。POU5F1、NANOG、SOX2在各簇表达但水平不同；iPSC-1偏formative多能状态、iPSC-2偏primed、iPSC-3居中，poised簇具早期分化倾向。供体身份解释最多组成方差；FA14530系poised比例高且皮质类器官能力差。CADM2、IL17RD、ITGA6等表面标志物可区分簇，提示将其纳入综合质量控制。
第三部分为显著性de novo pPAV少见但CRISPR大片段靶向缺失偶发。研究人员经WGS与长读长MAPT测序发现两供体遗传背景相同，5株系MAPT基因型需重新注释；如FA14530-1-d1G12原以为校正为野生型，实则为156 bp框内缺失移除R406W突变。罕见蛋白改变变异（putative protein-altering variants，pPAV）多在约束基因或神经退行/神经发育疾病基因中，数量低于KOLF2.1J，且多数属私有多态；除约20%系出现20q11.21重复外，未检出培养常见癌相关点突变。
第四部分为复发性20q11.21重复上调ID1并损害皮质类器官模式化。研究人员发现20q11.21拷贝数与传代数正相关；携带重复系中HM13、ID1、BCL2L1、TPX2、PDRG1上调。poor patterning系中半数含20q DUP，good系均无。基因集富集分析（gene set enrichment analysis，GSEA）显示TGF-β/SMAD、MAPK、PI3K与凋亡调控通路改变；ID1过表达维持多能并阻神经分化。SB431542处理24 h转录变化与20q DUP呈强反向相关；含20q DUP系需20 μM SB431542形成良好模式化皮质类器官，野生型系多用10 μM。结论为ID1与BCL2L1协同导致模式化抵抗，提高TGF-β受体抑制剂浓度可缓解。
第五部分为改善皮质类器官模式化的分子靶点识别。研究人员比较good与poor系并控制20q DUP状态，good系突触传递、离子转运、G蛋白偶联受体（G protein-coupled receptor，GPCR）、整合素信号上调，线粒体功能、核糖体生物合成、细胞周期/DNA复制下调；启动子与基因体甲基化变化与之对应。与perturb-seq正交关联显示，敲低线粒体蛋白导入或蛋白翻译基因使转录向good系偏移，TOMM40敲低可改善；WNT或RAC1敲低则推向上皮/差模式化表型。结论为poor系因线粒体与蛋白合成通路增强而对模式化更抵抗。
第六部分为CRISPR编辑与克隆筛选改变p53信号、干扰素应答及分化。研究人员将系分为亲本、converted、unconverted三类；converted与unconverted转录差异不显著，而与亲本比较则见大量差异基因。克隆筛选系中p53/DNA损伤信号与干扰素应答通路下调，反映双链断裂与外源核酸诱发的生存偏选。结论为并行经历编辑程序的未转化系才宜作同源对照，亲本系会引入编辑状态混杂。
讨论部分总结为，该研究对常用MAPT iPSC资源作未分化阶段多组学基准，识别formative至primed梯度与poised质量标志，证明20q DUP经ID1损害神经模式化且可用SB431542滴定缓解，FA14530类系则可借缓释FGF2-DISCs改善。CRISPR克隆存活偏选导致p53与干扰素通路改变，故必须用平行编辑未转化对照。研究人员建议新奠基系做30× WGS、定期低深度外显子/qPCR筛查结构变异、CRISPR后长片段测序、选用并行编辑对照。
研究结论部分翻译为：人iPSC为通过定向分化研究相关组织类型中疾病修饰变异提供前所未有的机会。虽超出本研究范围，但必须通过和体内观察的相关性确立iPSC衍生模型的相关性。研究人员聚焦于携带多种罕见高外显MAPT突变及同源对照的常用iPSC系，并在未分化iPSC阶段进行综合分析，考察系间与系内异质性以指导后续系筛选与实验设计。scRNA-seq识别全部系共有的三类iPSC簇及poised iPSC簇；poised比例反映常规质量控制未捕获的质量维度。研究人员提出表面蛋白标志物组合以量化poised簇并纯化各簇。研究发现约束或神经退行/神经发育疾病基因中de novo pPAV少，例外为与传代相关的20q11.21重复；并提出ID1为削弱良好神经类器官形成的修饰因子。poor模式化系成因不同：20q DUP系需SB431542滴定，FA14530类系可用缓释FGF2-DISCs，靶向蛋白翻译与线粒体功能可预测逆转poor系转录改变。CRISPR编辑克隆较亲本系显著下调p53/DNA损伤与干扰素应答，反映生存偏选；故须用经历相同编辑程序的同源对照而非亲本系。该深入基因组分析佐证此常用iPSC队列的稳健性，并建立新系与现有系基因组基准框架，补充标准质量控制：30× WGS用于新奠基系、定期筛查20q类结构变异、CRISPR后长段测序、使用并行编辑未转化对照。此类措施可提升iPSC研究数据可解释性与稳健性。
