Comparative genomic approaches to improve iPSC-derived motor neuron models of ALS

项目摘要 用患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）进行疾病建模使研究人员能够观察到 在实验室培养皿中，来自患者体内的任何细胞类型的胚胎发育、成熟和老化 菜.因此，这种新颖而强大的技术使研究人员能够密切观察 与年龄相关的迟发性疾病，通过重演分子事件影响患者的特定细胞， 在疾病发生之前和发生期间，有了这些知识，研究人员就可以 根据引起疾病的分子功能障碍设计治疗方法。一个高度活跃的地区 使用iPSC技术的疾病建模研究的一个重要方面是肌萎缩侧索硬化症（ALS），这是一个毁灭性的研究。 以运动神经元死亡为特征的神经退行性疾病，通常发生在成年晚期， 这种疾病无法治愈，患者平均只能活三年。然而一个主要 该领域目前面临的挑战是，在培养皿中从iPSC生长的运动神经元在分子上是 更类似于未成熟的胚胎细胞，而不是成熟和老化的成体细胞。由于ALS会导致 死亡的成年而不是胚胎运动神经元，一个必要的目标是产生成熟和老化的运动神经元， 在培养皿中研究神经元。通过整合比较基因组学、转录组学和蛋白质组学方法 在本申请中提出，我们的目标是确定调节成熟的途径的分子路障， 运动神经元状态首先，我们将采用小鼠和人类细胞之间的比较医学方法 寻找调节运动神经元发育，成熟， 老化和ALS-12诱导的变性。这种比较有助于捕捉基本的成熟和衰老 在小鼠中的途径，可以假设在人类细胞中制定和加速。二是 采用单细胞RNA测序和蛋白质组学方法， 成熟的运动神经元易受ALS的影响。最后，我们将整合我们的数据来预测和实验 验证控制iPSC-10衍生的运动神经元中的关键基因表达网络的调节因子。通过 了解控制成熟和衰老过程的细胞系统，我们就可以开发 策略，以加速运动神经元的成熟和老化，在培养皿中，从而忠实地再现运动神经元。 导致ALS中运动神经元变性的迟发性分子事件。

Project Summary     Disease modeling with patient-­derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) enables researchers to observe  the embryonic development, maturation, and aging of any cell type from the patient’s body in a laboratory petri  dish. This novel and powerful technology therefore enables researchers to closely observe the development of  age-­related, late onset diseases that affect specific cells in the patient by replaying the molecular events that  occur inside the cells prior to and during the disease. With this knowledge in hand, researchers can then  design therapies based on the molecular dysfunctions implicated in causing the disease. A highly active area  of disease modeling research using iPSC technology is in Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), a devastating  neurodegenerative disorder characterized by the death of motor neurons, typically occurring in late adulthood,  for which there is no cure and patients face an average of three years of life remaining. However, a major  challenge currently facing this field is that the motor neurons grown from iPSCs in the petri dish are molecularly  more similar to immature embryonic cells rather than to mature and aged adult cells. Since ALS causes the  death of adult rather than embryonic motor neurons, a necessary goal is to generate mature and aged motor  neurons to study in the dish. By integrating comparative genomic, transcriptomic, and proteomic approaches  proposed in this application, we aim to identify the molecular roadblocks regulating the path to the mature  motor neuron state. First, we will employ a comparative medicine approach between mouse and human cells  to find common and distinct genes and expression networks regulating motor neuron development, maturation,  aging, and ALS-­induced degeneration. This comparison serves to capture essential maturation and aging  pathways in the mouse that can hypothetically be enacted and accelerated in human cells. Second, we will  employ a single cell RNA-­sequencing and proteomic approach to deeply and sensitively detect populations of  mature motor neurons vulnerable to ALS. Lastly, we will integrate our data to predict and experimentally  validate regulatory factors controlling key gene expression networks in iPSC-­derived motor neurons. By  understanding the cellular systems controlling the maturation and aging processes, we can then develop  strategies to accelerate motor neuron maturation and aging in the dish, and thereby faithfully reproduce the  late onset molecular events leading to the degeneration of motor neurons in ALS.