Molecular Mechanisms of Induced Pluripotency

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In this review the distinct aspects of somatic cell reprogramming are discussed. The molecular mechanisms of generation of induced pluripotent stem (iPS) cells from somatic cells via the introduction of transcription factors into adult somatic cells are considered. Particular attention is focused on the generation of iPS cells without genome modifications via the introduction of the mRNA of transcription factors or the use of small molecules. Furthermore, the strategy of direct reprogramming of somatic cells omitting the generation of iPS cells is considered. The data concerning the differences between ES and iPS cells and the problem of epigenetic memory are also discussed. In conclusion, the possibility of using iPS cells in regenerative medicine is considered.

About the authors

I. A. Muchkaeva

Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: izomerizaciya@list.ru
Россия

E. B. Dashinimaev

Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences

Email: izomerizaciya@list.ru
Россия

V. V. Terskikh

Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences

Email: izomerizaciya@list.ru
Россия

Yu. V. Sukhanov

Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences

Email: izomerizaciya@list.ru
Россия

A. V. Vasiliev

Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences

Email: izomerizaciya@list.ru
Россия

References

  1. Evans M.J., Kaufman M.H. // Nature. 1981. V. 292. № 5819. P. 154-156.
  2. Thomson J.A., Itskovitz-Eldor J., Shapiro S.S., Waknitz M.A., Swiergiel J. J., Marshall V.S., Jones J.M. // Science. 1998. V. 282. № 5391. P. 1145-1147.
  3. Wilmut I., Schnieke A.E., Mcwhir J., Kind A.J., Campbell K.H. // Nature. 1997. V. 385. № 6619. P. 810-813.
  4. Wakayama T., Perry A., Zuccotti M., Johnson K.R., Yanagimachi R. // Nature. 1998. V. 394. № 6691. P. 369-374.
  5. Campbell K.H., Mcwhir J., Ritchie W.A., Wilmut I. // Na ture. 1996. V. 380. № 6569. P. 64-66.
  6. Byrne J.A., Pedersen D.A., Clepper L.L., Nelson M., Sanger W.G., Gokhale S., Wolf D.P., Mitalipov S.M. // Nature. 2007. V. 450. № 7169. P. 497-502.
  7. Tada M., Takahama Y., Abe K., Nakatsuji N., Tada T. // Curr. Biol. 2001. V. 11. № 19. P. 1553-1558.
  8. Takahashi K., Yamanaka S. // Cell. 2006. V. 126. № 4. P. 663-676.
  9. Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M., Narita M., Ichisaka T., Tomoda K., Yamanaka S. // Cell. 2007. V. 131. № 5. P. 861-872.
  10. Wernig M., Meissner A., Foreman R., Brambrink T., Ku M., Hochedlinger K., Bernstein B.E., Jaenisch R. // Nature. 2007. V. 448. № 7151. P. 318-324.
  11. Okita K., Ichisaka T., Yamanaka S. // Nature. 2007. V. 448. № 7151. P. 313-317.
  12. Yu J., Vodyanik M.A., Smuga-Otto K., Antosiewicz-Bourget J., Frane J.L., Tian S., Nie J., Jonsdottir G.A., Ruotti V., Stewart R., Slukvin I.I., Thomson J.A. // Science. 2007. V. 318. № 5858. P. 1917-1920.
  13. Park I.H., Arora N., Huo H., Maherali N., Ahfeldt T., Shimamura A., Lensch M.W., Cowan C., Hochedlinger K., Daley G.Q. // Cell. 2008. V. 134. № 5. P. 877-886.
  14. Soldner F., Hockemeyer D., Beard C., Gao Q., Bell G.W., Cook E.G., Hargus G., Blak A., Cooper O., Mitalipova M., et al. // Cell. 2009. V. 136. № 5. P. 964-977.
  15. Ho R., Chronis C., Plath K. // J. Cell Physiol. 2011. V. 226. № 4. P. 868-878.
  16. Niwa H. // Development. 2007. V. 134. № 4. P. 635-646.
  17. Loh Y.H., Wu Q., Chew J.L., Vega V.B., Zhang W., Chen X., Bourque G., George J., Leong B., Liu J., et al. // Nat. Genet. 2006. V. 38. № 4. P. 431-440.
  18. Boyer L.A., Lee T.I., Cole M.F., Johnstone S.E., Levine S.S., Zucker J.P., Guenther M.G., Kumar R.M., Murray H.L., Jenner R.G., et al. // Cell. 2005. V. 122. № 6. P. 947-956.
  19. Rosenfeld N., Elowitz M.B., Alon U. // J. Mol. Biol. 2002. V. 323. № 5. P. 785-793.
  20. Alon U. // Nat. Rev. Genet. 2007. V. 8. № 6. P. 450-461.
  21. Hyslop L., Stojkovic M., Armstrong L., Walter T., Stojkovic P., Przyborski S., Herbert M., Murdoch A., Strachan T., Lako M. // Stem Cells. 2005. V. 23. № 8. P. 1035-1043.
  22. Kuroda T., Tada M., Kubota H., Kimura H., Hatano S.Y., Suemori H., Nakatsuji N., Tada T. // Mol. Cell Biol. 2005. V. 25. № 6. P. 2475-2485.
  23. Rodda D.J., Chew J.L., Lim L.H., Loh Y.H., Wang B., Ng H.H., Robson P. // J. Biol. Chem. 2005. V. 280. № 26. P. 24731-24737.
  24. Seoane J., Le H.V., Massagué J. // Nature. 2002. V. 419. № 6908. P. 729-734.
  25. Utikal J., Polo J.M., Stadtfeld M., Maherali N., Kulalert W., Walsh R.M., Khalil A., Rheinwald J.G., Hochedlinger K. // Nature. 2009. V. 460. № 7259. P. 1145-1148.
  26. Rowland B.D., Bernards R., Peeper D.S. // Nat. Cell Biol. 2005. V. 7. № 11. P. 1074-1082.
  27. Scheper W., Copray S. // Stem Cell Rev. 2009. V. 5. № 3. P. 204-223.
  28. Li H., Collado M., Villasante A., Strati K., Ortega S., Cañamero M., Blasco M.A., Serrano M. // Nature. 2009. V. 460. № 7259. P. 1136-1139.
  29. Mikkelsen T.S., Hanna J., Zhang X., Ku M., Wernig M., Schorderet P., Bernstein B.E., Jaenisch R., Lander E.S., Meissner A. // Nature. 2008. V. 454. № 7205. P. 49-55.
  30. Bernstein B.E., Mikkelsen T.S., Xie X., Kamal M., Huebert D.J., Cuff J., Fry B., Meissner A., Wernig M., Plath K., et al. // Cell. 2006. V. 125. № 2. P. 315-326.
  31. Kunarso G., Chia N.Y., Jeyakani J., Hwang C., Lu X., Chan Y.S., Ng H.H., Bourque G. // Stem Cells. Nat. Genet. 2010. V. 42. № 7. P. 631-634.
  32. Sridharan R., Tchieu J., Mason M.J., Yachechko R., Kuoy E., Horvath S., Zhou Q., Plath K. // Cell. 2009. V. 136. № 2. P. 364-377.
  33. Pereira C.F., Piccolo F.M., Tsubouchi T., Sauer S., Ryan N.K., Bruno L., Landeira D., Santos J., Banito A., Gil J., et al. // Cell Stem Cell. 2010. V. 6. № 6. P. 547-556.
  34. Kim J., Chu J., Shen X., Wang J., Orkin S.H. // Cell. 2008. V. 132. № 6. P. 1049-1061.
  35. Gaspar-Maia A., Alajem A., Polesso F., Sridharan R., Mason M.J., Heidersbach A., Ramalho-Santos J., McManus M.T., Plath K., Meshorer E., et al. // Nature. 2009. V. 460. № 7257. P. 863-868.
  36. Singhal N., Graumann J., Wu G., Arauf Zo-Bravo M.J., Han D.W., Greber B., Gentile L., Mann M., Schöler H.R. // Cell. 2010. V. 141. № 6. P. 943-955.
  37. Stadtfeld M., Maherali N., Breault D.T., Hochedlinger K. // Cell Stem Cell. 2008. V. 2. № 3. P. 230-240.
  38. Huangfu D., Maehr R., Guo W., Eijkelenboom A., Snitow M., Chen A.E., Melton D.A. // Nat. Biotechnol. 2008. V. 26. № 7. P. 795—797.
  39. Viswanathan S.R., Daley G.Q., Gregory R.I. // Science. 2008. V. 320. № 5872. P. 97-100.
  40. Ralston A., Rossant J. // Reproduction. 2010. V. 139. № 1. P. 35-44.
  41. Mathew R., Jia W., Sharma A., Zhao Y., Clarke L.E., Cheng X., Wang H., Salli U., Vrana K.E., Robertson G.P., et al. // FASEB J. 2010. V. 24. № 8. P. 2702-2715.
  42. Yehezkel S., Rebibo-Sabbah A., Segev Y., Tzukerman M., Shaked R., Huber I., Gepstein L., Skorecki K., Selig S. // Epigenetics. 2011. V. 6. № 1. P. 63 - 75.
  43. Agarwal S., Loh Y.H., McLoughlin E.M., Huang J., Park I.H., Miller J.D., Huo H., Okuka M., Dos Reis R.M., Loewer S., et al. // Nature. 2010. V. 464. № 7286. P. 292-296.
  44. Niwa H., Miyazaki J., Smith A.G. // Nature Genet. 2000. V. 24. № 4. P. 372-376.
  45. Shi Y., Do J.T., Desponts C., Hahm H.S., Scholer H.R., Ding S. // Cell Stem Cell. 2008. V. 2. № 6. P. 525-528.
  46. Wernig M., Meissner A., Cassady J.P., Jaenisch R. // Cell Stem Cell. 2008. V. 2. № 1. P. 10-12.
  47. Carey B.W., Markoulaki S., Hanna J., Saha K., Gao Q., Mitalipova M., Jaenisch R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. V. 106. № 1. P. 157-162.
  48. Sommer C.A., Stadtfeld M., Murphy G.J., Hochedlinger K., Kotton D.N., Mostoslavsky G. // Stem Cells. 2009. V. 27. № 3. P. 543-549.
  49. Chang C.W., Lai Y.S., Pawlik K.M., Liu K., Sun C.W., Li C., Schoeb T.R., Townes T.M. // Stem Cells. 2009. V. 27. № 5. P. 1042-1049.
  50. Woltjen K., Michael I.P., Mohseni P., Desai R., Mileikovsky M., Hämäläinen R., Cowling R., Wang W., Liu P., Gertsenstein M., et al. // Nature. 2009. V. 458. № 7239. P. 766-770.
  51. Mali P., Chou B., Yen J., Ye Z., Zou J., Dowey S., Brodsky R.A., Ohm J.E., Yu W., Baylin S.B., et al. // Stem Cells. 2010. V. 28. № 4. P. 713-720.
  52. Okita K., Nakagawa M., Hyenjong H., Ichisaka T., Yamanaka S. // Science. 2008. V. 322. P. 949-953.
  53. Stadtfeld M., Nagaya M., Utikal J., Weir G., Hochedlinger K. // Science. 2008. V. 322. № 5903. P. 945-949.
  54. Kaji K., Norrby K., Paca A., Mileikovsky M., Mohseni P., Woltjen K. // Nature. 2009. V. 458. № 7239. P. 771-775.
  55. Jia F., Wilson K.D., Sun N., Gupta D.M., Huang M., Li Z., Panetta N.J., Chen Z.Y., Robbins R.C., Kay M.A., et al. // Nat. Methods. 2010. V. 7. № 3. P. 197-199.
  56. Yu J., Hu K., Smuga-Otto K., Tian S., Stewart R., Slukvin I.I., Thomson J.A. // Science. 2009. V. 324. № 5928. P. 797-801.
  57. Fusaki N., Ban H., Nishiyama A., Saeki K., Hasegawa M. // Proc. Jpn. Acad. Ser. B. Phys. Biol. Sci. 2009. V. 85. № 8. P. 348-362.
  58. Zhou H., Wu S., Joo J.Y., Zhu S., Han D.W., Lin T., Trauger S., Bien G., Yao S., Zhu Y., et al. // Cell Stem Cell. 2009. V. 4. № 5. P. 381-384.
  59. Kim D., Kim C.H., Moon J.I., Chung Y.G., Chang M.Y., Han B.S., Ko S., Yang E., Cha K.Y., Lanza R., Kim K.S. // Cell Stem Cell. 2009. V. 4. № 6. P. 472-476.
  60. Yakubov E., Rechavi G., Rozenblatt S., Givol D. // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010. V. 394. № 1. P. 189-193.
  61. Warren L., Manos P.D., Ahfeldt T., Loh Y.H., Li H., Lau F., Ebina W., Mandal P.K., Smith Z.D., Meissner A., et al. // Cell Stem Cell. 2010. V. 7. № 5. P. 618-630.
  62. Medvedev S.P., Grigor'eva E.V., Shevchenko A.I., Malakhova A.A., Dementyeva E.V., Shilov A.A., Pokushalov E.A., Zaidman A.M., Aleksandrova M.A., Plotnikov E.Y., et al. // Stem Cells Dev. 2011. V. 20. № 6. P. 1099-1112.
  63. Li W., Zhou H., Abujarour R., Zhu S., Young Joo J., Lin T., Hao E., Schöler H.R., Hayek A., Ding S. // Stem Cells. 2009. V. 27. № 12. P. 2992-3000.
  64. Yuan X., Wan H., Zhao X., Zhu S., Zhou Q., Ding S. // Stem Cells. 2011. V. 29. № 3. P. 549-553.
  65. Esteban M.A., Wang T., Qin B., Yang J., Qin D., Cai J., Li W., Weng Z., Chen J., Ni S., et al. // Cell Stem Cell. 2010. V. 6. № 1. P. 71-79.
  66. Tsutsui H., Valamehr B., Hindoyan A., Qiao R., Ding X., Guo S., Witte O.N., Liu X., Ho C.M., Wu H. // Nat. Commun. 2011. V. 2. P. 167.
  67. Zhou Q., Brown J., Kanarek A., Rajagopal J., Melton D.A. // Nature. 2008. V. 455. № 7213. P. 627-632.
  68. Grinnell K.L., Yang B., Eckert R.L., Bickenbach J.R. // J. Invest. Dermatol. 2007. V. 127. № 12. P. 372-380.
  69. Racila D., Winter M., Said M., Tomanek-Chalkley A., Wiechert S., Eckert R.L., Bickenbach J.R. // Gene Ther. 2010. V. 18. № 3. P. 294-303.
  70. Vierbuchen T., Ostermeier A., Pang Z.P., Kokubu Y., Südhof T.C., Wernig M. // Nature. 2010. V. 463. № 7284. P. 1035-1041.
  71. Pfisterer U., Kirkeby A., Torper O., Wood J., Nelander J., Dufour A., Björklund A., Lindvall O., Jakobsson J., Parmar M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. V. 108. № 25. P. 10343-10348.
  72. Addis R.C., Hsu F.C., Wright R.L., Dichter M.A., Coulter D.A., Gearhart J.D. // PLoS One. 2011. V. 6. № 12. e28719. P. 1-8.
  73. Soda Y., Marumoto T., Friedmann-Morvinski D., Soda M., Liu F., Michiue H., Pastorino S., Yang M., Hoffman R.M., Kesari S., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011. V. 108. № 11. P. 4274-4280.
  74. Marro S., Pang Z.P., Yang N., Tsai M.C., Qu K., Chang H.Y., Südhof T.C., Wering M. // Cell Stem Cell. 2011. V. 9. № 4. P. 374-382.
  75. Caiazzo M., Dell'Anno M.T., Dvoretskova E., Lazarevic D., Taverna S., Leo D., Sotnikova T.D., Menegon A., Roncaglia P., Colciago G., et al. // Nature. 2011. V. 476. № 7359. P. 224-227.
  76. Lagarkova M.A., Shutova M.V., Bogomazova A.N., Vassina E.M., Glazov E.A., Zhang P., Rizvanov A.A., Chestkov I.V., Kiselev S.L. // Cell Cycle. 2010. V. 9. № 5. P. 937-946.
  77. Stadtfeld M., Apostolou E., Akutsu H., Fukuda A., Follett P., Natesan S., Kono T., Shioda T., Hochedlinger K. // Nature. 2010. V. 465. № 7295. P. 175-181.
  78. Christodoulou C., Longmire T.A., Shen S.S., Bourdon A., Sommer C.A., Gadue P., Spira A., Gouon-Evans V., Murphy G.J., Mostoslavsky G., et al. // J. Clin. Invest. 2011. V. 121. № 6. P. 2313-2325.
  79. Urbach A., Bar-Nur O., Daley G.Q., Benvenisty N. // Cell Stem Cell. 2010. V. 6. № 5. P. 407-411.
  80. Mitalipov S., Wolf D. // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2009. V. 114. P. 185-199
  81. Lister R., Pelizzola M., Kida Y.S., Hawkins R.D., Nery J.R., Hon G., Antosiewicz-Bourget J., O'Malley R., Castanon R., Klugman S., et al. // Nature. 2011. V. 471. № 7336. P. 68-73.
  82. Kim K., Doi A., Wen B., Ng K., Zhao R., Cahan P., Kim J., Aryee M.J., Ji H., Ehrlich L.I. // Nature. 2010. V. 467. № 7313. P. 285-290.
  83. Laurent L.C., Ulitsky I., Slavin I., Tran H., Schork A., Morey R., Lynch C., Harness J.V., Lee S., Barrero M. J., et al. // Cell Stem Cell. 2011. V. 8. № 1. P. 106-118.
  84. Marchetto M.C., Yeo G.W., Kainohana O., Marsala M., Gage F.H., Muotri A.R. // PLoS One. 2009. V. 4. № 9. P. e7076.
  85. Hanna J., Wernig M., Markoulaki S., Sun C.W., Meissner A., Cassady J.P., Beard C., Brambrink T., Wu L.C., Townes T.M., et al. // Science. 2007. V. 318. № 5858. P. 1920-1923.
  86. Dimos J.T., Rodolfa K.T., Niakan K.K., Weisenthal L.M., Mitsumoto H., Chung W., Croft G.F., Saphier G., Leibel R., Goland R., et al. // Science. 2008. V. 321. № 5893. P. 1218-1221.
  87. Raya A., Rodríguez-Pizà I., Guenechea G., Vassena R., Navarro S., Barrero M.J., Consiglio A., Castellà M., Río P., Sleep E., et al. // Nature. 2009. V. 460. № 7251. P. 53-59.
  88. Zhao T., Zhang Z.N., Rong Z., Xu Y. // Nature. 2011. V. 474. № 7350. P. 212-215.
  89. Dang C.V., O'Donnell K.A., Zeller K.I., Nguyen T., Osthus R.C., Li F. // Semin. Cancer Biol. 2006. V. 16. № 4. P. 253-264.
  90. Nakagawa M., Koyanagi M., Tanabe K., Takahashi K., Ichisaka T., Aoi T., Okita K., Mochiduki Y., Takizawa N., Yamanaka S. // Nat. Biotechnol. 2008. V. 26. № 1. P. 101-106.
  91. Maekawa M., Yamaguchi K., Nakamura T., Shibukawa R., Kodanaka I., Ichisaka T., Kawamura Y., Mochizuki H., Goshima N., Yamanaka S. // Nature. 2011. V. 474. № 7350. P. 225-229.
  92. Kim J.B., Zaehres H., Araúzo-Bravo M.J., Schöler H.R. // Nat. Protoc. 2009. V. 4. № 10. P. 1464-1470.
  93. Kim J.B., Sebastiano V., Wu G., Arauzo-Bravo M.J., Sasse P., Gentile L., Ko K., Ruau D., Ehrich M., van den Boom D., et al. // Cell. 2009. V. 136. № 3. P. 411-419.
  94. Qin D., Gan Y., Shao K., Wang H., Li W., Wang T., He W., Xu J., Zhang Y., Kou Z., et al. // J. Biol. Chem. 2008. V. 283. № 48. P. 33730-33735.
  95. Maherali N., Ahfeldt T., Rigamonti A., Utikal J., Cowan C., Hochedlinger K. // Cell Stem Cell. 2008. V. 11. № 3. P. 340-345.
  96. Aasen T., Raya A., Barrero M.J., Garreta E., Consiglio A., Gonzalez F., Vassena R., Bilić J., Pekarik V., Tiscornia G., et al. // Nat. Biotechnol. 2008. V. 26. № 11. P. 1276-1284.
  97. Zhao H.X., Li Y., Jin H.F., Xie L., Liu C., Jiang F., Luo Y.N., Yin G.W., Li Y., Wang J., et al. // Differentiation. 2010. V. 80. № 2-03. P. 123-129.
  98. Galende E., Karakikes I., Edelmann L., Desnick R.J., Kerenyi T., Khoueiry G., Lafferty J., McGinn J.T., Brodman M., Fuster V., et al. // Cell Reprogram. 2010. V. 12. № 2. P. 117-125.
  99. Wernig M., Zhao J.P., Pruszak J., Hedlund E., Fu D., Soldner F., Broccoli V., Constantine-Paton M., Isacson O., Jaenisch R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. V. 105. № 15. P. 5856-5861.
  100. Minina Yu.M., Zhdanova N.S., Shilov A.G., Tolkunova E.N., Liskovykh M.A., Tomilin A.N. // Tsitologiya. 2010. V. № 5. P. 420-425.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2012 Muchkaeva I.A., Dashinimaev E.B., Terskikh V.V., Sukhanov Y.V., Vasiliev A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies