我们描述了一种从鸡胚胎的网膜中获取锥体光感受器的初级培养物的方法,并将其用于高含量筛选。
人类白天的视觉依赖于视网膜中心锥形光感受器的功能。患者患有最普遍的遗传性视网膜退化,视网膜炎色素,失去夜视,由于突变驱动的杆光感受器的损失,一个现象,随后逐渐丧失功能和锥体死亡导致失明。遗传学家已经识别出许多基因与突变导致这种疾病,但第一个突变发现质疑的继发性锥体退化的机制,以及如何在罗多普辛基因编码的显性突变的视觉色素完全表达在棒可以触发锥体退化。
这种移植的结果在疾病的基因模型导致细胞相互作用的棒和圆锥体的概念,以及非细胞自主变性锥体在所有遗传形式的视网膜炎色素。
圆锥体占人类所有光感受者的5%,在小鼠中只占3%,因此它们在这些物种中的研究是困难的,但圆锥体的数量超过了鸟类中的棒。我们已经将96个井板调整为鸡胚胎发育阶段29的视网膜前体培养。在这些初级培养物中,圆锥体在体外分化后占细胞的80%。在没有血清的情况下,细胞在一周内退化。在这里,我们描述的方法及其标准化。
这种圆锥体丰富的培养系统用于通过对大鼠视网膜色素上皮上皮规范化cDNA库的高含量筛选来识别上皮源性锥体生存因子(EdCVF)。重组的EdCVF可防止圆锥体的退化。
脊椎动物物种的视网膜是双的,具有用于昏暗光视觉的杆光感受器和用于日光、颜色和敏锐度视觉的锥光感光器。灵长类视觉敏锐度依赖于视网膜中心的一个区域,称为卵泡,富含圆锥体,但总体而言,圆锥体仅占所有光感受器的 5%。因此,对灵长类小灵长类动物的圆锥体,特别是圆锥体培养的分析在技术上是困难的。所有其他哺乳动物物种都没有卵泡,在视网膜研究中最常用的啮齿动物中,圆锥体的百分比很低。鸟类的情况并非如此,锥体主宰着这些观赏鸟类的视网膜。恐龙在哺乳动物进化过程中首次出现时一直主宰着生态系统,它们处于鸟类的植物起源。由于恐龙和早期哺乳动物之间的这种竞争,哺乳动物大多是夜间的,视网膜以棒子为主。直到后来在进化过程中,灵长类动物所属的一些哺乳动物物种的日间视觉才成为进化优势。然而,祖先时期仍然是哺乳动物视觉2、3进化过程中夜间瓶颈的一个时期。
在研究视网膜细胞分化时,Adler和Hatlee显示,在胚胎日(ED)6或第29阶段4期从鸡中衍生的培养物中,光感受器占视网膜分化细胞的大约70%。由于鸡视网膜中锥体的流行,ED6鸡胚胎的视网膜细胞培养已发展为圆锥体富集培养物5。
锥体介质视觉敏锐性对人类的重要性是一种真理。受改变锥体功能的遗传或衰老疾病影响的人严重残疾。这促进了大量关于遗传性视网膜退化的研究,目的是找到治疗这些致盲疾病6,7。第一个成功,获得使用重组腺相关载体(AAV)治疗严重形式的 IRD 勒伯先天性动脉瘤 (LCA), 是基因治疗8的概念证明.基因突变触发 IRD 的基因的识别为使用基因疗法治愈这些疾病开辟了可能性。然而,这些疾病是由于200多个不同基因的突变造成的。即使在自体隐性形式的 IRD 中,当病态基因的正常拷贝重新引入时,可恢复视觉功能,每个个体发育的经济成本也有利于最普遍的开发,从而损害较不常见的基因和遗传起源仍然未知的因素。这一事实促使研究人员考虑了更普遍的治疗方法。凋亡细胞死亡似乎是一种常见的途径,是这些疾病的治疗目标,这些疾病是通过光感受器的退化而发展而发展的,包括对自体主导形式10、11。然而,这种办法的成功是缺失的。对于最常见的 IRD 形式,视网膜炎色素瘤 (RP), 常见的途径是功能的继发性丧失, 最终导致锥体 12,13的退化.防止锥体功能丧失将保持胎儿的中心视力独立于致病突变14。
在RP的早期阶段,棒的丢失触发了由核素状1(NXNL1)基因编码的棒源性锥活性因子(RdCVF)的表达减少,该基因中断了棒和圆锥体之间代谢和重氧化物信号。重组AAV编码NXNL1基因的两种产品,营养因子RdCVF和硫胺酮酶RdCVFL的管理,理论上可以防止锥体视力丧失的所有遗传形式的RP16。我们已经表明,NXNL1基因产品RdCVFL,表现在鸡锥丰富的培养物17,在那里它起到保护作用18。RdCVF和NXNL1基因是通过高含量的视网膜cDNA库的筛选来识别的,该库利用圆锥体丰富培养物中的细胞的存活率作为读数19。我们使用每个克隆的 8 个平行测试筛选了相当于 210,000 个库的单个克隆。这代表了大量的测试,需要容易获得生物材料,鸡胚胎的视网膜。我们发现,每周获得胚胎鸡蛋相对容易,因为它们是为产蛋母鸡和产肉鸡的农业工业广泛生产的。经过锥体浓缩培养物的仔细标准化后,该系统提供了一种简单、坚固和可重复的方式来测试数千个分子,以增强其保持圆锥体生存能力的能力。这些细胞也有利于基因操纵20,有利于信号转导的研究和生化分析21,22,23。
视网膜研究人员已经开发出替代方法,如使用锥形细胞系661W24,25,26。然而,这个细胞系的身份仍然有争议的27,28。661W细胞是从转基因小鼠线的视网膜肿瘤中克隆的,该肿瘤表达了在人类间感器视网膜蛋白结合蛋白促进剂控制下的SV40大T抗原。SV40大T抗原介导细胞转化和永生。因此,使用 661W 细胞识别的信号通路必须报告到转化和不朽的细胞系的上下文中,该线在许多方面与原位圆锥体不同。在这方面,圆锥体丰富的培养系统由原发神经元组成,这些神经元在生理上更为相关。
虽然使用小鼠视网膜的振动剖析获得纯光感受器文化是可能的,但啮齿动物外视网膜中锥体的极低百分比使得这种方法不适合产生富含圆锥体的文化29。猪网膜不含叶,但有一个区域称为区域中央,是非常丰富的圆锥体30。视网膜二极啮齿动物中圆锥体的比例很高,如阿尔维坎蒂·安索盖和普萨莫米斯·痴迷者31,32,提供了一个可能的解决方案,但需要繁殖这种外来物种。从当地屠宰场收集的成年猪眼,可用于生产用于研究光感受器生存33的棒和圆锥体的混合培养。一个优雅的解决方案是预先净化圆锥体从猪视网膜使用平移与花生凝胶素(PNA)lectin,选择性地结合锥体34。然而,由于其复杂性,这种方法很难大规模地实施。
人类诱导的多能干细胞(iPS)提供了最有希望的方法,以获得锥形光感受细胞群,可用于视网膜移植,但也可适应圆锥体丰富的培养35,36。由于转录因子 NRL 是棒光感受器37所必需的,Nrl-/-鼠标具有由短波锥 (S-圆锥体) 主导的视网膜。这种灭活可以用来通过区分人类与iPS38、39来产生S-圆锥体丰富的制备。另一种可能的方法是促进锥分化使用甲状腺激素信号40。虽然从人类iPS产生圆锥体浓缩培养物的新方法正在出现,但鸡胚胎提供了一种目前已证实的方法19。
圆锥体丰富的文化有助于通过表达克隆19识别RdCVF。该系统还成功地用于证明RdCVF通过有氧糖解22刺激葡萄糖吸收及其新陈代谢。此外,圆锥体丰富的培养被用来验证RdCVFL的保护作用,RdCVFL是 NXNL1 基因23的第二个产物。最近,该系统被用来证明存在保护分子分泌的视网膜色素上皮细胞与OTX241转换。
在可能限制鸡胚胎产生圆锥体浓缩培养物的许多参数中,第一个关键步骤是准确识别孵化卵子中胚胎的发育阶段。观察到,ED8(第34阶段)胚胎视网膜细胞培养只产生35%的光感受器,其余65%由其他神经元4组成。无论后勤工作如何获得孵化的卵子,都有必要微调温度和孵化时间,并仔细检查胚胎,与发育的所有阶段的参考图片42,45相比。
最初,圆锥体丰富的文化系统是利用白腿角菌株4开发的。这种菌株的白色在法国不是特别受欢迎,所以我们用一种生产棕色鸡蛋的鸡。我们利用了I 657菌株,这是通过交叉I 66公鸡与JA57母鸡5。我们能够再现原始文化的特点。这表明,鸡的遗传背景对于获得圆锥体丰富的文化并不重要。
我们没有测试在培养介质中单独去除补充剂的效果,但观察到胰岛素根据胰岛素对rd1小鼠锥体生存的影响起着至关重要的作用,这是自动体隐性RP46的模型。三叶草(T3)也可以参与区分视网膜前体细胞的鸡胚胎成锥体根据甲状腺激素受体的作用在视网膜细胞的命运在发展40。因此,圆锥体丰富的培养系统不能用来识别胰岛素表达克隆46。
圆锥体丰富的培养系统依赖于原发神经元的培养,并且依靠使用不朽的细胞作为细胞系661W24、25、26的方法更为合适。
此处描述的方法可以通过使用质粒DNA20进行事先电波化来修改。在准备视网膜细胞悬架之前,整个视网膜被放置在定制电管的腔室中,在 10 mM Tris-HCl pH 8.0、1 mM EDTA 中,具有 120 μL 的 0.5μg/μL 质粒DNA。5个脉冲的15 V为50毫秒,每个应用由950毫秒间隔22分开。试图提供干扰RNA(RNAi)使用复制主管的鸟类拼接(RCAS)逆转录病毒到圆锥体丰富的文化没有成功47。这当然是由于在没有血清和低密度培养物的情况下,视网膜前体细胞不具有复制性,这是传播逆转录病毒的必要条件。
我们开发了圆锥体丰富的培养系统,通过表达克隆19来识别促进圆锥体生存的营养因子。为了使其可行,我们使用来自100个克隆池的有条件介质进行了高含量筛查的第一步。即使库中的 cDNA 在 COS-1 细胞传输后在强大的 CMV 促进剂的控制下表示,它也不提供保证,即由单个 cDNA 编码的所有蛋白质都达到足以通过可行性检测获得阳性的浓度。这是一个主要的限制。从这个意义上说,任何筛选并不是真正详尽无遗的。此外,即使膜蛋白没有从条件介质中去除,检测的配置也不利于非扩散因子的识别。另一种选择是在获得 cDNAs 序列后筛选单个克隆,以避免重复使用多次相同的候选蛋白质。这是通过测序我们使用的43个视网膜cDNA库而启动的。这种方法虽然合理,但也有其局限性。对cDNA序列的生物信息分析将不可抗拒地强加于,除了减少冗余之外,还优先考虑根据知识筛选某些克隆。如果最终对整个图书馆进行筛选,即使需要的时间大大延长,这也不会有害。但总是,序列的身份将影响我们看待结果的方式。这不会是中性的,因为序列的解释自然会与实验数据竞争。
EdCVF 的鉴定还表明,高含量筛查会带来技术限制。从第一轮筛选中,我们确定了两个活动量大的池(补充图1)。池 0073 导致成功识别 EdCVF,而池 0080 没有进行此类发现。我们尚未解决在准备子池过程中失去活性克隆可能造成的问题。或者,不排除,即使统计学上不有利,在0080池的cDNAs中,有两种蛋白质协同作用,其活性不能作为单个克隆来观察。
通过筛选小分子来识别保护圆锥体的分子是圆锥体丰富培养系统的未来应用。这种分子对于治疗视网膜病理学是无价的,基因治疗不是与年龄相关的黄斑变性最合适的方法。
The authors have nothing to disclose.
作者感谢雅克·贝拉卢、洛雷雷·富尼尔、埃马努埃尔·克莱林、弗雷德里克·布隆德和农用 产品 有限公司(法国莫里索·丹斯)的宝贵帮助。这项工作得到了因塞尔姆、索邦大学、 法国国家再培训局 (ANR,Labex生命传感器)、抗击失明基金会(美国)和IHU FORESight[ANR-18-IAHU-0001]的支持,这些资金由法国国家重建局在 阿韦尼尔投资 计划内管理。
96 black plates (Clear Button with lid Tissue culture treated) | Corning | 3603 | |
Calcein AM | Thermo-Fisher scientific | C1430 | |
CCD Camera | Photometrics | CoolSnap FX HQ | |
CDPC (Cytidine 5′-diphosphocholine sodium salt dihydrate) | Sigma-Aldrich | C0256 | |
CO2 Independant | Thermo-Fisher scientific | 18045-054 | |
Curved forceps | Dutscher | 005093 | |
DMEM Media | Thermo-Fisher scientific | 41966-029 | |
DNAse | Sigma-Aldrich | D4263 | |
Eggs incubator | FarmLine | M08 01 3100 | |
Ethidium Homodimer | Thermo-Fisher scientific | E1169 | |
Fœtal bovine serum | Thermo-Fisher scientific | 10270-098 | |
Gentamycin | Thermo-Fisher scientific | 15710-049 | |
Hydrocortisone | Sigma-Aldrich | H0880 | |
ITS (insulin Transferine selenium) | Sigma-Aldrich | I1884 | |
large straight pliers | Dutscher | 005074 | |
Linoleic acid | Sigma-Aldrich | L8384 | |
M199 medium | Thermo-Fisher scientific | 31150-022 | |
Metamorph software | Metamorph | ||
Microscope | NIKON | Eclipse TE2000 | |
Motorized stage | Martzauzer | Mutlicontrol 2000 | |
Optical filter switch | Shutter Instrument company | Lambda 10-2 | |
PBS 1X | Thermo-Fisher scientific | 14190-086 | |
Poly-L-lysine | Sigma-Aldrich | P6282 | |
Progesterone | Sigma-Aldrich | P7556 | |
Pursept A express | Fisher scientific | 11814110 | |
Putriscine | Sigma-Aldrich | P5780 | |
Sodium pyruvate | Sigma-Aldrich | S8636 | |
straight forceps | Dutscher | 005092 | |
Taurine | Sigma-Aldrich | T8691 | |
Triiodothyronine | Sigma-Aldrich | T6397 | |
Trypan blue | Thermo-Fisher scientific | 15250-061 | |
Trypsine 0.25 % | Thermo-Fisher scientific | 25200-056 |