[发明专利]一种远红光调控的诱导干细胞分化的系统及应用

说明书

本发明公开了一种远红光调控的诱导干细胞分化的系统，包括远红光调控基因表达环路控制系统以及基因定位器。本发明还提供了一种远红光调控的诱导干细胞分化的的方法，所述远红光调控的诱导干细胞分化的方法能够高效将诱导性多功能干细胞(iPSCs)分化为成熟的神经细胞。本发明方法可以通过远红光诱导干细胞分化，本发明具有无毒性、高效性、绝缘性以及灵活性诱导干细胞分化的特点，在细胞治疗以及再生医学领域中具有巨大的潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及合成生物学、光遗传学、干细胞等多学科交叉领域，具体涉及一种远红光调控的诱导干细胞分化的方法，高效诱导干细胞分化，以及其在干细胞分化研究中的应用。

背景技术

诱导性多能干细胞(iPSCs)是生命科学的一个重大进展，解决了干细胞研究领域的免疫排斥和伦理道德问题，能够自我更新并维持未分化的状态，其在体外可以定向诱导成多种体细胞，无论在理论研究还是临床应用上都具有巨大的应用价值。诱导iPSCs分化为不同的体细胞在疾病模型与机制的研究中具有重大的意义。目前，虽然诱导干细胞分化成体细胞已经有较多报道和研究，然而调控诱导干细胞分化成体细胞的研究还有待进一步改进，比如诱导条件的安全无毒性、空间特异性、灵活调控性、诱导的高效性等都是有待改进的问题。

远红光是一种理想的基因表达诱导物。具有易获得性，时空特异性，安全无毒性，对细胞刺激性小。因此利用远红光作为诱导剂来调控干细胞分化以及在干细胞的研究有极大的应用价值。

发明内容

本发明首次将光遗传学、基因编辑技术和再生医学进行有机结合，提出一种远红光调控的诱导干细胞分化的方法，诱导iPSCs分化为体细胞，本发明能够通过远红光激活任意外源和内源基因，并能够诱导干细胞分化成成熟细胞。本发明具有正交性良好、稳定性高、诱导效率高以及无毒副作用等特点，在哺乳动物基因工程精准地时空调控体细胞行为以及干细胞的研究中具有巨大的潜在应用价值。

本发明首次提出了一种远红光调控的诱导干细胞分化的系统，所述系统包括远红光调控基因表达环路控制系统(FACE系统)和基因定位器。

其中，所述远红光调控基因表达环路控制系统(FACE系统)可以将诱导性多能干细胞高效分化为成熟的神经细胞，为干细胞分化提供了新的工具，可用于相关的疾病的研究和治疗，具有极大的潜在应用价值。

其中，所述远红光调控系统(FACE系统)能够高效地诱导内源基因的转录表达，包括细菌光敏二鸟苷酸环化酶BphS、c-di-GMP的降解酶YhjH、BldD融合表达的激活子p65-VP64-BldD、BldD识别结合的启动子P_FRL1b[(whiG)₂-P_hCMVmin3G]，序列如SEQ ID NO.1-4所示。

其中，所述基因定位器能够有效靶向到目标基因的启动子位置，包括dCas9蛋白以及具有指导靶向目的基因作用的所有单链RNA(sgRNA)，dCas9氨基酸序列如SEQ ID NO.5所示。单链RNA的序列选自序列6,7(SEQ ID NO.6，7)等所有基因组匹配序列。

所述dCas9蛋白可以与由远红光调控基因表达环路控制系统表达的转录激活子相结合，并通过sgRNA与靶基因位点配对，启动任意外源基因的表达。

进一步，所述dCas9蛋白还可以与由远红光调控基因表达环路控制系统表达的转录激活子相结合，并通过sgRNA与靶基因启动子位点配对，启动体内外任意内源基因的表达；其中，所述体内任意内源基因包括体内肌肉相关的内源基因。

本发明中所述的各核苷酸序列或氨基酸序列均可采用人工合成的方法制备。

本发明提出了一种人工设计、合成的远红光调控的诱导干细胞分化的方法。

所述方法包括以下步骤：

(1)接种细胞