原始生殖细胞 (pgc) 是精子和卵子的常见前体。人类胚胎 pgc 是通过细胞因子的相互作用从多能细胞中指定的。在这里, 我们描述了一个为期13-day 的方案, 诱导人类细胞转录类似于 pgc 在胚胎体表面从初级多能诱导多能干细胞。
原始生殖细胞 (pgc) 是所有胚系细胞的常见前体。在小鼠胚胎中, 通过精心接触细胞因子 (包括骨形态发生蛋白 4 (bmp4), 从多能表外细胞中诱导了 ~ 40个 pgc 的建立种群。在人类胚胎中, 在妊娠第3周结束前后的卵黄囊内皮壁上发现了最早的 pgc, 但对人类 pgc 规范的过程及其早期发育了解甚少。为了规避研究人类胚胎 pgc 的技术和伦理障碍, 最近从多能干细胞中产生了替代细胞培养模型。在这里, 我们描述了一个为期13-day 的方法, 用于可靠地生产人的 pgc 样细胞 (hPGCLCs)。人类诱导多能干细胞 (hipsc) 保持在引种多能状态下, 在4i 幼稚的重新编程介质中孵育 48小时, 与单个细胞分离, 并被包装成微束。在天真的多能状态下长期维持高 psc 会导致严重的染色体畸变, 应避免。微叶中的 hpsc 在4i 培养基中保持额外的 24小时, 形成胚胎体 (eb), 然后在 hpgclc 诱导培养基中的低粘附塑料体中培养, 在摇凝状态下培养低粘附的塑料制品, 其中含有高浓度的重组人 bmp4。在摇摆不定的非粘附条件下, 再培养28天的 e b, 以获得 hPGCLCs 的最大产量。通过免疫组织化学, hPGCLCs 很容易被检测为在其表面的几乎所有 eb 中强烈表达 oct4 的细胞。当 eb 被酶解离并经过流式细胞仪的富集化时, hPGCLCs 可以作为 cd38 + 细胞收集, 产率高达40-45%。
原始生殖细胞 (pgc) 是所有两性生殖细胞的常见前体。我们关于哺乳动物胚胎中 pgc 发育的大部分知识是通过研究实验室小鼠1,2获得的。在胚胎期6.0-6.5 小鼠胚胎中, 6个或类似的少量 pgc 前体位于表爆中, 并以依赖于从相邻分泌的骨形态发生蛋白 bmp2 和 Bmp2 的方式从它们中诱导出大约 40个 pgc 的建立种群细胞。迄今在胚胎中发现的最早的人类 pgc 是在妊娠3周结束时的卵黄囊内皮壁上。由于这与在小鼠胚胎中观察到的迁移 pgc 相同的地方, 观察到的人类 pgc 很可能处于迁徙的道路上, 但不是建国人口。然而, 追踪人类胚胎中 pgc 或 pgc 前体早期阶段的研究一直缺失。
由于技术和道德障碍, 获得人类胚胎 pgc 具有挑战性。为了克服这些障碍, 最近从人类多能干细胞 (psc) 中产生了类似 pgc 的细胞培养模型。多能性是细胞分化为种系和三个胚胎胚芽层4的能力。而人类 psc 保持在 mtesr1 培养基 (一种随时可用的, 商业上可获得的介质, 用于维持人类 psc 在引脚多能状态) 上的菜肴上, 其在含有细胞外基质蛋白的菜肴上具有引种状态多能性4, 2013年雅各布·汉娜的实验室表明, 引物多能细胞可以转化为一种天真的多能性状态, 通过将含有化学抑制剂的天真的人类干细胞培养基 (nhsm) 暴露在蛋白质激酶 k女式 k半、gsk3、jnk、rock、pkc (和 p38 mapk 以及生长因子 lif、tgf、bfgf5。2015年, 由 hanna 和 azim surani 领导的一个研究小组从 psc 6 中首次完成了人类 pgc 样细胞 (hPGCLCs) 的稳健生产.后来, 包括我们的实验室在内的其他几个实验室报告说, 私营保安公司使用稍有不同的协议7、8、9、10生成了hPGCLCs。我们的研究提供的证据表明, 使用不同协议产生的 hPGCLCs (我们以前发表的研究报告 10的表 s1 总结了这些协议) 在转录上彼此相似。现有证据支持人类 pgclc 与早期人类胚胎 pgc 在全球表观遗传过程7和/或趋化迁移之前的相似性。
对小鼠胚胎 pgc、小鼠 pgclc 和人 pgclc (但接触人类 pgc 的机会非常有限) 的研究表明, 小鼠和人类1,6、 7,8,9,10,11,12, 13,14,15,16 ,17岁。例如, prdm14 在小鼠胚胎的 pgc 规范中起着关键作用, 但它在人类 pgc 规范中的作用似乎有限, 为1,15.相反, eomesodemin 诱导 sox17 对于 pgc 规格6、11、14是必不可少的, 而这些转录因子对于小鼠 pgc 规范15来说似乎是可有可无的。使用 hPGCLCs 进行的这些初步研究成果有力地支持了这种细胞培养模型作为人类胚胎 pgc 的替代品的重要性。
最近发表的研究涉及我们实验室对基因组 dna 拷贝数分析的深度测序评估, 研究表明, 在极净的多能状态下长期维持 psc, 会显著增加染色体不稳定的风险。结构异常。这一现象在小鼠18和人类19个psc 中都有观察到。hana/surani 报告的原始 hpgclc 生产协议是为在4i 天真多能介质中保持至少 2周6的人 psc 开发的。为了保持人 psc 和 pgclc 的正常二倍体核型, 我们开发了一个改进的协议, 其中人类 psc 接触4i 介质的时间只有 72小时,本文介绍了这一方案。人类 ipsc (hipsc) 保持在引种多能状态下。在 eb 形成之前, 细胞在4i 幼稚的重编程介质 (改良的 nhsm 培养基) 中孵育48小时。然后将细胞分离并包装成微束, 在4i 介质中增加24小时形成 eb。在含有高浓度重组人 bmp4 的 hpgclc 诱导培养基中保持 eb, 在无附着培养的摇摆条件下最多 8天, 以获得 hpgclc 的最大产量。在8天的 eb 培养后, 利用 facs 将 hPGCLCs 作为 cd38 + 细胞从离解的 eb 细胞中分离出来, 在 fts 可分等级单细胞悬浮液中的收率高达40%。而其他已发布的方法7,8,9, 包括我们修改之前的原始协议 6, 通常在自发形成的细胞群中生成 hPGCLCs, 而没有特定的在胚胎体 (eb) 的表面观察到了我们的协议所产生的 hpgclc 的定位。
使用这里描述的协议的 hPGCLCs 的稳健生产得到了三个具有正常二倍体核型10的人 ipsc 独立克隆的证实。这些 ipsc 克隆体来源于同一人类新生儿真皮皮肤成纤维细胞培养10。本文作者将根据请求并根据适当的材料转让协议和冷冻活人牢房的运输安排, 向调查人员提供这些资料。目前尚不清楚是否需要正常的核型才能使用我们的协议或其他实验室报告的协议进行稳健的 hpgclc 生产。
最近的研究表明, 使用 saitou 的京都大学8组描述的协议从 hpsc 11 或 esc14中生产 hPGCLCs 取决于 eomesosermin 的表达, eomes功耗 min 是sox17 的诱导。sox17 似乎是决定转录因子的主系, 在人多能干细胞的种系分化中发挥着重要作用.eomesodemin 是由eomes基因编码的, 在 hpgclc 生产条件11中, eomes的 crispric/cas9 敲除导致几乎完全没有 sox17 诱导, 其他基因的表达遵循了相同的模式。sox17 空敲除细胞。在 hpgclc 诱导培养过程中, eomesodemin 在eomes-空敲除细胞中的诱导载体过度表达, 有效地挽救了 hpgclc 的强效产生以及对包括 sox17 在内的种系基因的诱导。相反, 诱导过度表达 sox17 也挽救了强大的 pgclc 生产, 但没有诱导 eomes。因此, eomesodemin 是 sox17 的关键上游诱导剂, 这似乎是 eomesodemin 在人类多能干细胞 hpgclc 诱导中最重要的作用。我们的协议在 hpsc10 中诱导 sox17, 但它对 eomesodemmine 诱导的依赖有待确定。
该协议将在 mtesr1 介质中维护96小时的初级多能人 ipsc 转换为与 erk 无关的天真多能, 在4i 重编程介质6中, 这是一种经过修饰的天真的人干细胞培养基 (nhsm)5。我们试图从相同的人类 ipsc 克隆开始生成 hPGCLCs, 但在4i 重新编程介质中的培养之前, 我们在其他商业上可获得的人类 ipsc 生长介质中进行了维护, 从而导致 hPGCLCs 的产量降低。尽管其他媒体的长期适应是否能提高 hpgclc 的生产仍有待在未来的研究中确定, 但这一观察表明, 在4i 重新编程之前, 人类 ipsc 的引贴多能性的确切状态仍有待确定影响4i 培养基的 eb 形成和 hpgclc 培养基中的 eb 分化。
按照我们的协议从高保安防中生产 hPGCLCs 是稳健和高度可重复的, 部分原因是使用了微井板, 能够高效生产大量尺寸均匀 (每片电子供应链 3, 000个 hpsc) 的 eb (每批约 8, 000个 eb)。使用我们的协议在单批实验中容易产生的 eb 数量可能远远大于使用常规 u 底细胞培养井的方法。生产大量同等大小的与 hPGCLCs 一致的 eb, 可以提供高通量化学筛选的独特机会, 以识别影响 pgc 规格或其规格的小分子量激活剂或抑制剂。生物特征, 如表观遗传重编程。这类 e b s 也可用于大量胚系细胞毒物的毒理评估, 不仅包括环境污染物, 还包括临床规定的药物, 如化疗药物。
使用所提交的协议可靠和可重复地生产 hPGCLCs 的关键因素包括: (一) 使用 mtesr1 中关于细胞外基质蛋白的健康高 psc, (ii) 按照规定和严格的方式接种确切数量的细胞遵循介质变化和亚培养的时间, (iii) 选择大量的人重组 bmp4, (iv) 在摇摇培养过程中最大限度地减少 eb 的物理损伤。我们的经验是, 最好的 bmp4 试剂工作在 100 ngml 浓度, 而其他很多 bmp4 试剂需要2倍或更大的剂量。另一方面, 在 bmp4 的较高剂量 (例如, 200 ng/ml) 下, 使用最佳 bmp4 量的 hPGCLCs 生产的产量则有所下降。我们建议测试从多个供应商获得的几种不同数量的重组人 bmp4 试剂, 以确保它们在支持 hpgclc 生成方面的性能, 并确保大量最佳批次。
我们的 hpgclc 协议的一个独特之处在于, hpgclc 在eb10最外层进行本地化 (图 8), 而其他协议可以在单元聚合6,8的中间生成 hpgclc。胚胎体往往形成多个不同的层, 如表面、外壳、内壳和核心, 而中央核心区域往往因营养物质、氧气供应有限以及培养中提供的促进存活的因素而坏死中通过扩散20。由于向 eb 中心扩散有限而在 eb 表面定位 hPGCLCs 而不受任何限制, 可能有利于 hPGCLCs 直接、时间和剂量控制接触药物或有毒物质的药理作用或毒理学研究。
小鼠 pgclc 显示出强大的全基因组 dna 脱甲基化, 至少部分涉及印迹控制区域,但 ppclc 中的全球 gdna 脱甲基化程度似乎弱于小鼠pgclcs 或 pgc6、7。转录谱表明, 与小鼠 pgclc 10 相比, hPGCLCs 可能类似于胚胎 pgc的早期阶段。据报道, 在 hpgclc 生产条件下, 长期培养 eb 导致 gdna 脱甲基化程度提高;然而, 在 eb 中长期培养 hPGCLCs 或作为孤立细胞是否能够达到更高级的种系分化阶段, 需要由未来的研究来确定。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢 shiomi yawata 和 chie owa 在初步研究期间提供的技术援助。这项研究得到了 niehssee nih 向 jhh 提供 re0023316 和 r21es024861 向 ts 的资助, 并得到了飞行辅助医学研究所 (famri) 的资助。
Primed pluripotency hiPSC culture | |||
Matrigel | Corning | 354277 | Aliquot Matrigel at the volume indicated by the manufacturer (about 200 μL). Use cold tubes. Store at -80 °C |
DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 21041-025 | Store at 4 °C. |
mTeSR1 | STEMCELL Technologies | 85850 | Reconstitute by adding 5X Supplement to Basal Medium. The reconstituted medium can be stored at 4 °C for up to 4 weeks without affecting cell culture performance. |
Y27632 | Axon | 1683 | Dilute 5 mg Y27632 (MW 320.26) with 312.2 μL water to prepare 50 mM Y27632 stock solution. Sterilize by filtration (0.22 μm). Aliquot 20 μL/tube x 15 tubes and store at -20 °C. |
CryoStor CS10 | STEMCELL Technologies | 07930 | Store at 4 °C. |
Accutase | Innovative cell technologies | AT104-500 | Cell dissociation enzyme; aliquot 40 mL/tube x 12 tubes and store at -20 °C. |
Name | Company | Catalog Number | コメント |
4i hiPSC culture | |||
KnockOut DMEM | Thermo Fisher Scientific | A1286101 | |
KnockOut Serum Replacement | Thermo Fisher Scientific | 10828028 | Aliquot 40 mL/tube x 12 tubes and store at -20 °C. |
Penicillin-Streptomycin-Glutamine (100x) | Thermo Fisher Scientific | 10378016 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Thermo Fisher Scientific | 11140050 | |
Insulin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | I1882-100MG | Add 0.1 mL glacial acetic acid to 10 mL water. Sterilize by filtration (0.22 um). Dilute 100 mg insulin lyophilized powder with cold 10 mL the acidified water to make 10 mg/mL stock solution. Aliquot 650 μL/tube x 15 tubes and store at -80 °C. |
human LIF | PeproTech | 300-05 | Reconstitute 250 μg human LIF with 250 μL water. Add 750 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL human LIF stock solution. Specific activity of this product is >10,000 units/μg. Aliquot 40 ul/tube x 25 tubes and store at -80 °C. |
human FGF2 | R&D Systems | 4114-TC | Reconstitute 1 mg human FGF2 with 5 mL PBS(-) to make 200 μg/mL human FGF2 stock solution. Aliquot 100 μL/tube x 50 tubes and store at -80 °C. |
human TGF-β1 | PeproTech | 100-21 | Reconstitite 50 μg with 50 μL of 10 mM Citric Acid (pH 3.0). Add 150 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL human TGF-β1 stock solution. Aliquot 4 μL/tube x 50 tubes and store at -80 °C. |
4i basal medium | Mix the following reagents to make 4i basal medium. 500 mL of KnockOut DMEM 100 mL of KnockOut Serum Replacement 6 mL of Penicillin-Streptomycin-Glutamine (100x) 6 mL of MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) 650 µL of 10 mg/mL Insulin from bovine pancreas 40 µL of 250 µg/mL human LIF 20 µl of 200 µg/ml human FGF2 4 µl of 250 µg/ml human TGF-β1 Aliquots 40 ml/tube and store at -80 °C. |
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CHIR99021 | Axon | 1386 | Reconstitute 25 mg CHIR99021 (MW 465.34) with 1791 μL DMSO to make 30 mM CHIR99021 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 35 tubes and store at -20 °C. |
PD0325901 | Axon | 1408 | Reconstitute 5 mg PD0325901 (MW 482.19) with 1037 μL DMSO to make 10 mM PD0325901 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 20 tubes and store at -20 °C. |
BIRB796 | Axon | 1358 | Reconstitute 10 mg BIRB796 (MW 527.66) with 948 μL DMSO to make 20 mM BIRB796 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 18 tubes and store at -20 °C. |
SP600125 | Tocris | 1496 | Reconstitute 10 mg SP600125 (MW220.23) with 908 μL DMSO to make 50 mM SP600125 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 18 tubes and store at -20 °C. |
AggreWell400 | STEMCELL Technologies | 27845 | Microwell plate |
Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | Reconstitute 5 g Pluronic F-127 in 100 mL water to make 5%(w/v) Pluronic F127 stock solution. Sterilize by filtration (0.22 um). Aliqout 50 mL/tube x 2 tubes and store at r.t. |
Name | Company | Catalog Number | コメント |
hPGCLC culture | |||
Glasgow’s MEM | Thermo Fisher Scientific | 11710035 | |
Sodium pyruvate (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | 11360070 | |
Penicillin-Streptomycin (100x) | Corning | 30-002-CI | |
hPGCLC basal medium | Mix the following reagents to make hPGCLC basal medium. 500 mL of Glasgow’s MEM 75 mL of KnockOut Serum Replacement 6 mL of MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) 6 mL of 100 mM Sodium pyruvate 6 mL of Penicillin-Streptomycin (x100) Aliquots 40 mL/tube and store at -20 °C. |
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2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M3148 | Dilute 350 μL 2-Mercaptoethanol (14.3 M) in 9.65 mL PBS(-) to make 500 mM 2-Mercaptoethanol stock solution . Store at 4 °C. |
L-Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4544 | Reconstitute 400 mg L-Ascorbic acid with 20 mL water to make 20 mg/mL L-Ascorbic acid stock solution. Sterilize by filtration (0.22 um). Aliquot 500 μL/tube x 40 tubes and store at -20 °C. |
Recombinant human BMP4 | R&D Systems | 314-BP | Reconstitute 1 mg recombinant human BMP4 with 10 mL of 4mM HCl aq. to make 100 μg/mL recombinant human BMP4 stock solution. Aliquot 250 μL/tube x 40 tubes and store at -80 °C. |
Human SCF | PeproTech | 300-07 | Reconstitute 250 μg human SCF with 500 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 500 μg/mL human SCF stock solution. Aliquot 35 μL/tube x 14 tubes and store at -80 °C. |
Human EGF | PeproTech | AF-100-15 | Reconstitute 1 mg human EGF with 1 mL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 1 mg/mL human EGF stock solution. Aliqot 100 μL/tube x 10 tubes. Dilute 100 μL of 1 mg/ml human EGF stock solution with 300 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL humanEGF stock solution. Aliquot 20 μL/tube x 20 tubes. Store at -80 °C. |
Cell strainer | Corning | 352340 | Pore size = 40 μm. |
50 ml polypropylene conical tube | Corning | 352070 | |
Low attachment plate | Corning | 3471 | |
Vari-Mix Platform Rocker | Thermofisher | M79735Q | |
Name | Company | Catalog Number | コメント |
Immunohistochemical staining | |||
BLOXALL Blocking Solution | VECTOR | SP-6000 | |
Normal Horse serum ImmPRESS Reagent Anti-Goat IgG |
VECTOR | MP-7405 | |
OCT-3/4 Antibody | Santa Cruz | SC-8629 | |
ImmPACT DAB | VECTOR | SK-4105 | |
Permount | Thermofisher | SP15-100 | Mounting medium |
Name | Company | Catalog Number | コメント |
Isolating hPGCLC | |||
Embryoid Body Dissociation Kit | Miltenyi Biotec | 130-096-348 | |
Anti-CD38 antibody conjugated to APC | abcam | ab134399 |