Summary

Differentiering og karakterisering af neurale forfædre og neuroner fra museembryst stamceller

Published: May 15, 2020
doi:

Summary

Vi beskriver proceduren for in vitro differentiering af mus embryonale stamceller i neuronale celler ved hjælp af hængende dråbe metode. Derudover udfører vi en omfattende fænotypisk analyse gennem RT-qPCR, immunofluorescence, RNA-seq og flowcytometri.

Abstract

Vi beskriver den trinvise procedure for dyrkning og differentiering af museembrystiske stamceller i neuronale slægter, efterfulgt af en række analyser for at karakterisere de differentierede celler. E14 mus embryonale stamceller blev brugt til at danne embryonale organer gennem hængende drop metode, og derefter induceret til at differentiere sig til neurale stamfader celler ved retinsyre, og endelig differentieret i neuroner. Kvantitative reverse transskription polymerase kædereaktion (RT-qPCR) og immunofluorescence eksperimenter viste, at de neurale forfædre og neuroner udviser tilsvarende markører (nestin for neurale forfædre og neurofilament for neuroner) på dag 8 og 12 post-differentiering, henholdsvis. Flow cytometri eksperimenter på en E14 linje udtrykker en Sox1 promotor-drevet GFP reporter viste, at omkring 60% af cellerne på dag 8 er GFP positive, hvilket indikerer en vellykket differentiering af neurale stamfader celler på dette stadium. Endelig blev RNA-seq-analysen brugt til at profilere de globale transskriptomiske ændringer. Disse metoder er nyttige til at analysere inddragelsen af specifikke gener og veje i reguleringen af celleidentitetsovergangen under neuronal differentiering.

Introduction

Siden deres første afledning fra den indre cellemasse af de udviklende muse blastocyster1,2, mus embryonale stamceller (mESC) er blevet brugt som kraftfulde værktøjer til at studere stamcelle selvfornyelse og differentiering3. Desuden fører undersøgelse af mESC-differentiering til en enorm forståelse af molekylære mekanismer, der kan forbedre effektiviteten og sikkerheden i stamcellebaseret terapi til behandling af sygdomme som neurodegenerative lidelser4. Sammenlignet med dyremodeller giver dette in vitro-system mange fordele, herunder enkelhed i praksis og vurdering, lave omkostninger ved at opretholde cellelinjer i modsætning til dyr og relativ lethed i genetiske manipulationer. Effektiviteten og kvaliteten af differentierede celletyper påvirkes dog ofte af forskellige linjer af mESC’er samt differentieringsmetoderne5,6. Desuden er de traditionelle analyser til evaluering af differentieringseffektivitet afhængige af kvalitativ undersøgelse af udvalgte markørgener, som mangler robusthed, og de forstår derfor ikke globale ændringer i genekspression.

Her sigter vi mod at bruge et batteri af analyser til systematisk vurdering af den neuronale differentiering. Ved hjælp af både traditionelle in vitro-analyser på udvalgte markører og RNA-seq etablerer vi en platform til måling af differentieringseffektiviteten samt de transskriptomiske ændringer under denne proces. Baseret på en tidligere etableret protokol7genererede vi embryonale organer (EBs) gennem den hængende dråbeteknik, efterfulgt af induktion ved hjælp af suprafysiologisk mængde retinsyre (RA) til at generere neurale stamfaderceller (NPC’er), som efterfølgende blev differentieret til neuroner med neural induktion medium. For at undersøge effektiviteten af differentiering, ud over traditionelle RT-qPCR og immunofluorescence (IF) assays, vi udførte RNA-seq og flow cytometri. Disse analyser giver en omfattende måling af udviklingen af den fasespecifikke differentiering.

Protocol

1. mESC kultur Coat en 10 cm vævskulturbehandlet plade med 0,1% gelatine og lad gelatinen indstilles i mindst 15-30 minutter, før du aspireerer den ud. Frø γ-bestrålet mus embryonale fibroblaster (MEFs) en dag før dyrkning af mESC’erne i det forvarmede mESC-medium (Dulbeccos modificerede Eagle medium (DMEM) med 15% fosterkvægsserum (FBS), ikke-essentielle aminosyrer, β-mercaptoethanol, L-glutamin, penicillin/streptomycin, natrium pyruvat, LIF, PD0325901 (PD) og Chir99021 (CH)). Lad d…

Representative Results

Som en repræsentation af vores metode udførte vi et EB-, NPC- og neurondifferentieringseksperiment på E14-celler. E14-celler blev kultiveret på γ bestrålede MEF’er (figur 1A),indtil den γ bestrålede MEF-population udvandede. Vi bekræftede pluripotency af E14 celler ved at udføre alkaliske Fosphatase (AP) farvning (Figur 1B) og senere RT-qPCR (se nedenfor) for Nanog og Oct4 markører. De γ bestrålede MEF-fri E14-celler blev derefter …

Discussion

Metoden til neural differentiering af museememinnale stamceller er blevet etableret i årtier , og forskere har fortsat med at ændre de tidligere protokoller eller skabe nye til forskellige formål7,10,11. Vi brugte en række analyser til omfattende at analysere effektiviteten og fremskridtene af differentieringsstadierne af mESCs til neuroner, som kan bruges til analyse af andre slægtsdifferentiering af mus eller menneskelige…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af et tilskud fra NIH (1R35GM133496-01) til Z. Gao. Vi vil gerne takke Dr. Ryan Hobbs for hjælpen i afsnittet. Vi takker Penn State College of Medicine’s kernefaciliteter, herunder Genom Sciences og Bioinformatik, Advanced Light Microscopy Imaging, og Flow Cytometri. Vi takker også Dr. Yuka Imamura for hjælpen i RNA-seq analyse.

Materials

0.05% Trypsin + 0.53mM EDTA 1X Corning 25-052-CV
0.1% Gelatin Sigma G1890-100G Prepared in de-ionized water
16% Paraformaldehyde Thermo Scientific 28908 Diluted in 1X PBS
40-μm cell strainer Falcon 352340
Albumax Thermo Fisher Scientific 11020021
AlexaFluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L) Invitrogen A11001 Antibody was diluted at 1:500 for IF
Alkaline Phosphatase Staining Kit II Stemgent 00-0055
AzuraQuant Green Fast qPCR Mix LoRox Azura Genomics AZ-2105
B27 supplement Thermo Fisher Scientific 17504044
BD FACSCanto BD 657338
bFGF Sigma 11123149001
BioAnalyzer High Sensitivity DNA Kit Agilent 5067-4626
Chir99021 Cayman Chemicals 13122
Chloroform C298-500 Fisher Chemical
DAPI Invitrogen R37606
DMEM Corning 10-017-CM
DMEM/F12 medium Thermo Fisher Scientific 11320033
EB buffer Qiagen 19086
Ethanol 111000200 Pharmco Diluted in de-ionized water
Fetal bovine serum Atlanta Biologicals S10250
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides Fisher Scientific 12-550-15
HiSeq 2500 Sequencing System Illumina SY-401-2501
Isopropanol BDH1133-4LG BDH VWR Analytical Diluted in de-ionized water
L-glutamine Thermo Fisher Scientific 25030024
LIF N/A N/A Collected from MEF supernatant
m18srRNA primers IDTDNA N/A 5'-GCAATTATTCCCCATGAACG-3'
5'-GGCCTCACTAAACCATCCAA-3'
MEM Non-essential amino acids Corning 25-025-Cl
mNanog primers IDTDNA N/A 5'-AGGCTTTGGAGACAGTGAGGTG-3'
5'-TGGGTAAGGGTGTTCAAGCACT-3'
mNes primers IDTDNA N/A 5'-AGTGCCCAGTTCTAGTGGTGTCC-3'
5'-CCTCTAAAATAGAGTGGTGAGGGTTG-3'
mNeuroD1 primers IDTDNA N/A 5'-CGAGTCATGAGTGCCCAGCTTA-3'
5'-CCGGGAATAGTGAAACTGACGTG-3'
mOct4 primers IDTDNA N/A 5'-AGATCACTCACATCGCCAATCA-3'
5'-CGCCGGTTACAGAACCATACTC-3'
mPax6 primers IDTDNA N/A 5'-CTTGGGAAATCCGAGACAGA-3'
5'-CTAGCCAGGTTGCGAAGAAC-3'
N2 supplement Thermo Fisher Scientific 17502048
Nestin primary antibody Millipore MAB5326 Antibody was diluted at 1:200 for IF
Neural basal Thermo Fisher Scientific 21103049
Neurofilament primary antibody DSHB 2H3
NEXTflex Illumina Rapid Directional RNA-Seq Library Prep Kit BioO Scientific NOVA-5138-07
PD0325901 Cayman Chemicals 13034
Penicillin/streptomycin Corning 30-002-Cl
Phosphate-buffered saline (PBS) N/A N/A Prepared in de-ionized water
– Potassium chloride P217-500G VWR
– Potassium phosphate monobasic anhydrous 0781-500G VWR
– Sodium chloride BP358-10 Fisher Bioreagents
– Sodium phosphate, dibasic, heptahydrate SX0715-1 Milipore
Random hexamer primer Thermo Scientific SO142
Retinoic acid Sigma R2625 Prepared in DMSO
Sodium pyruvate Corning 25-000-Cl
Sucrose Sigma 84097 Diluted in 1X PBS
SuperScript III Reverse Transcriptase Invitrogen 18064022
Tissue-Tek O.C.T. compound Sakura 4583
TriPure Isolation Reagent Sigma-Aldrich 11667165001
TruSeq Rapid Illumina 20020616
β-mercaptoethanol Fisher BioReagents BP176-100

Referenzen

  1. Kaufman, M. H., Evans, M. J. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 292, 154-156 (1981).
  2. Martin, G. R. Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 78, 7634-7638 (1981).
  3. Czechanski, A., et al. Derivation and characterization of mouse embryonic stem cells from permissive and nonpermissive strains. Nature Protocols. 9 (3), 559-574 (2014).
  4. Sugaya, K., Vaidya, M. Stem Cell Therapies for Neurodegenerative Diseases. Exosomes, Stem Cells and MicroRNA: Aging, Cancer and Age Related Disorders. , 61-84 (2018).
  5. Dang, S. M., Kyba, M., Perlingeiro, R., Daley, G. Q., Zandstra, P. W. Efficiency of embryoid body formation and hematopoietic development from embryonic stem cells in different culture systems. Biotechnology and Bioengineering. 78 (4), 442-453 (2002).
  6. McKee, C., Chaudhry, G. R. Advances and challenges in stem cell culture. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 159, 62-77 (2017).
  7. Bibel, M., et al. Differentiation of mouse embryonic stem cells into a defined neuronal lineage. Nature Neuroscience. 7 (9), 1003-1009 (2004).
  8. Wang, Q., et al. WDR68 is essential for the transcriptional activation of the PRC1-AUTS2 complex and neuronal differentiation of mouse embryonic stem cells. Stem Cell Research. 33, 206-214 (2018).
  9. Ying, Q. L., Stavridis, M., Griffiths, D., Li, M., Smith, A. Conversion of embryonic stem cells into neuroectodermal precursors in adherent monoculture. Nature Biotechnology. 21 (2), 183-186 (2003).
  10. Visan, A., et al. Neural differentiation of mouse embryonic stem cells as a tool to assess developmental neurotoxicity in vitro. NeuroToxicology. 33 (5), 1135-1146 (2012).
  11. Fraichard, A., et al. In vitro differentiation of embryonic stem cells into glial cells and functional neurons. Journal of Cell Science. 108 (10), 3181-3188 (1995).
  12. Stavridis, M. P., Smith, A. G. Neural differentiation of mouse embryonic stem cells. Biochemical So. 31, 45-49 (2003).
  13. Park, Y. -. G., et al. Effects of Feeder Cell Types on Culture of Mouse Embryonic Stem Cell In vitro. Development & Reproduction. 19 (3), 119-126 (2015).
  14. Lee, J. H., Lee, E. J., Lee, C. H., Park, J. H., Han, J. Y., Lim, J. M. Requirement of leukemia inhibitory factor for establishing and maintaining embryonic stem cells in mice. Fertility and Sterility. 92 (3), 1133-1140 (2009).
  15. Onishi, K., Zandstra, P. W. LIF signaling in stem cells and development. Development (Cambridge). 142 (13), 2230-2236 (2015).
  16. Smith, A. G., et al. Inhibition of pluripotential embryonic stem cell differentiation by purified polypeptides. Nature. 336, 688-690 (1988).
  17. Williams, R. L., et al. Myeloid leukemia inhibitory factor maintains the developmental potential of embryonic stem cells. Nature. 336, 684-687 (1988).
  18. Ghimire, S., et al. Comparative analysis of naive, primed and ground state pluripotency in mouse embryonic stem cells originating from the same genetic background. Scientific Reports. 8 (1), 1-11 (2018).
  19. Kurosawa, H., Imamura, T., Koike, M., Sasaki, K., Amano, Y. A Simple Method for Forming Embryoid Body from Mouse Embryonic Stem Cells. Journal of Bioscience and Bioengineering. 96 (4), 409-411 (2003).
  20. Wang, X., Yang, P. In vitro differentiation of mouse embryonic stem (mES) cells using the hanging drop method. Journal of Visualized Experiments. (17), 2-3 (2008).
  21. Soprano, D. R., Teets, B. W., Soprano, K. J. Role of Retinoic Acid in the Differentiation of Embryonal Carcinoma and Embryonic Stem Cells. Vitamins and Hormones. 75 (06), 69-95 (2007).
  22. Venere, M., Han, Y. G., Bell, R., Song, J. S., Alvarez-Buylla, A., Blelloch, R. Sox1 marks an activated neural stem/progenitor cell in the hippocampus. Development (Cambridge). 139 (21), 3938-3949 (2012).
  23. Chen, Y., et al. NS21: Re-defined and modified supplement B27 for neuronal cultures. Journal of Neuroscience Methods. 171 (2), 239-247 (2008).
  24. Bahmad, H. F., et al. The Akt/mTOR pathway in cancer stem/progenitor cells is a potential therapeutic target for glioblastoma and neuroblastoma. Oncotarget. 9 (71), 33549-33561 (2018).
  25. Bastiaens, A. J., et al. Advancing a MEMS-Based 3D Cell Culture System for in vitro Neuro-Electrophysiological Recordings. Frontiers in Mechanical Engineering. 4, 1-10 (2018).
  26. Antill-O’Brien, N., Bourke, J., O’Connell, C. D. Layer-by-layer: The case for 3D bioprinting neurons to create patient-specific epilepsy models. Materials. 12 (19), (2019).
  27. Duval, K., et al. Modeling physiological events in 2D vs. 3D cell culture. Physiology. 32 (4), 266-277 (2017).
  28. Joshi, P., Lee, M. Y. High content imaging (HCI) on miniaturized three-dimensional (3D) cell cultures. Biosensors. 5 (4), 768-790 (2015).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Hanafiah, A., Geng, Z., Wang, Q., Gao, Z. Differentiation and Characterization of Neural Progenitors and Neurons from Mouse Embryonic Stem Cells. J. Vis. Exp. (159), e61446, doi:10.3791/61446 (2020).

View Video