Les cellules germinales primordiales (PGC) sont des précurseurs communs du sperme et des œufs. PGC embryonnaires humaines est spécifiées de pluripotentes épiblaste grâce à des interactions des cytokines. Nous décrivons ici un protocole 13 jours d’induire les cellules humaines transcriptomally ressemblant à des PGC à la surface du corps embryoïdes d’apprêté-induite la pluripotence des cellules souches pluripotentes.
Les cellules germinales primordiales (PGC) sont des précurseurs communs de toutes les cellules de la lignée germinale. Chez les embryons de souris, une population fondatrice de ~ 40 PGC sont induits des cellules pluripotentes épiblaste par exposition orchestrée aux cytokines, dont la protéine morphogénétique osseuse 4 (Bmp4). Sur les embryons humains, le PGC plus tôt ont été identifiés sur la paroi endodermique du sac vitellin vers la fin de la semaine 3rd de la gestation, mais on connaît mal le processus de spécification du PGC humaine et leur développement précoce. Afin de contourner les barrières techniques et éthiques d’étudier le PGC embryonnaires humaines, modèles de culture de cellules porteuses ont été récemment générés à partir de cellules souches pluripotentes. Nous décrivons ici un protocole de 13 jours pour une production robuste de cellules humaines de PGC-Like (hPGCLCs). Les cellules souches humaines pluripotentes induites (hiPSCs) maintenus dans l’état de pluripotence apprêtée sont incubées dans les naïfs 4i reprogrammation moyen pendant 48 heures, monocellules se dissociés et emballés dans des micropuits. Maintenance prolongée de hiPSCs dans l’état de pluripotence naïf provoque des aberrations chromosomiques importantes et devrait être évité. hiPSCs dans les puits sont maintenues pour supplémentaires 24 heures dans le milieu de 4i à corps embryoïdes forme (EBs), qui sont ensuite cultivées en basse-respect des ustensiles en plastique sous une condition bascule dans le milieu de l’induction de hPGCLC contenant une forte concentration de BMP4 humaine recombinante. EBs sont ensuite mis en culture pendant 8 jours dans l’état bascule, non adhérents d’obtenir des rendements maximaux de hPGCLCs. Par immunohistochimie, les hPGCLCs sont facilement détectés comme cellules exprimant fortement OCT4 dans presque tous les EBs exclusivement sur leur surface. Lorsque EBs sont enzymatiquement dissociées et soumis à l’enrichissement de FACS, hPGCLCs peuvent être collectées comme cellules CD38 + jusqu’à 40-45 % rendement.
Les cellules germinales primordiales (PGC) sont des précurseurs communs de toutes les cellules de la lignée germinale chez les deux sexes. La plupart de nos connaissances sur le développement de PGC dans des embryons de mammifères a été obtenue grâce à l’étude des souris de laboratoire1,2. À jour embryonnaire 6,0 à 6,5 des embryons de souris, 6 ou même de petits nombres de précurseurs PGC sont situés dans l’épiblaste et une population fondatrice de ~ 40 que PGC est induites d’eux d’une manière dépendante de protéines morphogénétiques osseuses Bmp2 et Bmp4 sécrétée par adjacentes cellules. Les premiers PGC humaine jusqu’à présent identifié chez les embryons était sur le mur endodermique du sac vitellin à vers la fin de la troisième semaine de gestation3. Parce que c’est au même endroit que la migration PGC est observées chez des embryons de souris, il est probable que le PGC humains observés était sur le chemin de migration, mais pas la population fondatrice. Toutefois, des études remontant des stades antérieurs du PGC ou PGC précurseurs sur les embryons humains ont disparu.
Accès au PGC embryonnaire humaine est difficile en raison d’obstacles techniques et éthiques. Pour surmonter ces obstacles, modèles de culture de cellules PGC ont été récemment générées à partir des cellules souches pluripotentes humaines (PSC). La pluripotence est la capacité cellulaire à se différencier en la lignée germinale et trois couches de germe embryonnaires4. Alors que la PSC humaine maintenue dans le milieu de mTeSR1 (un milieu prêt à l’emploi, disponible dans le commerce formulé pour l’entretien de PSC humaine dans l’état de pluripotence apprêté) sur plats revêtus de la protéine de la matrice extracellulaire ont apprêté-état pluripotence 4, en 2013, laboratoire de Jacob Hanna a montré que les cellules de pluripotence apprêté peuvent être convertis en un état de pluripotence naïve en exposant au milieu de cellules souches humaines naïves (NHSM) contenant des inhibiteurs chimiques aux protéines kinases ERK1/2 GSK3, JNK, ROCK, PKC, et p38 MAPK ainsi que les facteurs de croissance FRV, TGF, bFGF5. De la PSC humaine naïve-pluripotence, en 2015, un groupe de recherche dirigé par Hanna et Azim Surani a accompli la première production robuste de cellules humaines de PGC-Like (hPGCLCs) du PSC6. Plus tard, plusieurs autres laboratoires, y compris la nôtre, a signalé de génération de hPGCLCs de PSC en utilisant légèrement différents protocoles7,8,9,10. Notre étude a prouvé que hPGCLCs générés à l’aide de différents protocoles (qui sont résumées dans le tableau S1 de notre étude précédemment publiée10) sont transcriptomally semblable à l’autre10. Éléments de preuve disponibles soutient la ressemblance des humains PGCLCs au début des PGC embryonnaires humaines avant l’effacement épigénétique global7 et/ou migration chimiotactique10.
Études de souris embryonnaires PGC, souris PGCLCs et PGCLCs humains (mais avec seulement un accès très limité aux PGC humaine) ont révélé que les mécanismes moléculaires de la spécification du PGC diffèrent sensiblement entre les souris et les humains1,6, 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 ,,17. Par exemple, Prdm14 joue un rôle crucial dans la spécification de PGC dans des embryons de souris, mais son rôle dans la spécification du PGC humaine semble limitée1,15. En revanche, l’induction de SOX17 par EOMESODERMIN est essentielle pour PGC spécification6,11,14, alors que ces facteurs de transcription semblent dispensables pour souris PGC spécification15. Ces réalisations initiales des études utilisant la hPGCLCs fortement confirment l’importance de ce modèle de culture cellulaire comme substitut du PGC embryonnaires humaines.
Des études publiées récemment, impliquant l’évaluation de séquençage en profondeur de notre laboratoire d’ADN copie numéro l’analyse génomique, ont montré que maintenance prolongée de PSC dans l’état de pluripotence naïf augmente considérablement le risque d’une instabilité chromosomique et anomalies structurales. Ce phénomène a été observé avec les deux souris18 et humaine19 PSC. Le protocole initial de production de hPGCLC rapporté par Hanna/Surani a été développé pour PSC humaine maintenus dans le milieu de la pluripotence 4i naïf au moins 2 semaines,6. Afin de préserver le caryotype diploïde normal de la PSC et PGCLCs, nous avons développé un protocole modifié dans lequel PSC humains est exposés au milieu de 4i pour seulement 72 heures10, qui est présenté dans cet article. CISP humaine (hiPSCs) est maintenues en vertu de l’état de pluripotence apprêtée. Immédiatement avant la formation de EB, les cellules sont incubées dans le milieu de reprogrammation de naïf de 4i (un milieu modifié de NHSM) pendant 48 heures. Les cellules sont alors dissociées et emballés dans des micropuits de forme EBs pour 24 heures supplémentaires dans le milieu de 4i. EBs sont maintenus dans un milieu d’induction hPGCLC contenant une forte concentration de recombinant BMP4 humaine condition bascule pour la culture de la non-pièce jointe jusqu’à 8 jours pour obtenir le rendement maximal de hPGCLCs. Après la culture EB 8 jours, hPGCLCs peuvent être isolés des cellules dissociées de EB de FACS, en tant que cellules CD38 + jusqu’à environ 40 % en FACS-sortable suspension monocellulaire. Alors que l’autre publié méthodes7,8,9, y compris le protocole initial avant nos modifications6, génèrent habituellement de hPGCLCs dans les agrégats de cellules spontanément formé sans spécifiques localisation, hPGCLC produite par notre protocole sont observées à la surface du corps embryoïdes (EBs).
Fabrication robuste de hPGCLCs en utilisant le protocole décrit ici a été confirmée avec trois clones indépendants de CISP humaine avec le caryotype diploïde normale10. Ces clones iPSC provenaient de la peau cutanée néonatale humaine même fibroblaste cellule culture10. Ils seront fournis par les auteurs de cet article aux enquêteurs sur demande et sous l’accord de transfert de matériel approprié et arrangement de cellules humaines vivantes congelés d’expédition. On ignore actuellement si le caryotype normal est nécessaire pour la production de hPGCLC robuste en utilisant notre protocole ou celles rapportées par d’autres laboratoires.
Des études récentes ont montré que la production de hPGCLCs de hiPSCs11 ou ESCs14 en utilisant un protocole décrit par groupe de Saitou de l’Université de Kyoto8 dépend de l’expression de EOMESODERMIN, un facteur de transcription T-box requis pour induction de SOX17. SOX17 semble fonctionner comme la lignée de maître déterminer le facteur de transcription dans la différenciation de cellules souches pluripotentes humaines6germinale. EOMESODERMIN est codée par le gène LAEVIS , CRISPR/Cas9 knockout de LAEVIS causé une absence presque totale d’induction SOX17 dans la hPGCLC produisant des condition11et expression d’autres gènes a suivi le même schéma de la Cellules nulles SOX17 knockout. La surexpression de la EOMESODERMIN d’un vecteur inductible dans l’ LAEVIS-cellules null knockout durant la culture induction hPGCLC efficacement secourus le robuste hPGCLC production ainsi que l’induction de gènes, cellules germinales, y compris SOX17. En revanche, induite par la surexpression SOX17 secouru également la production de PGCLC robuste mais sans provoquer de LAEVIS. Ainsi, EOMESODERMIN est un inducteur critique en amont de SOX17, et cela semble le rôle le plus important simple de EOMESODERMIN dans hPGCLC induction de cellules souches pluripotentes humaines. Notre protocole induit SOX17 hiPSCs10, mais sa dépendance sur l’induction EOMESODERMINE vous attend à déterminer.
Ce protocole convertit apprêté-pluripotence CISP humaine maintenus dans le milieu mTeSR1 pour ERK-indépendant naïve pluripotence pendant 96 heures dans le 4i reprogrammation moyenne6, qui est une mis à jour le naïf des cellules souches humaines medium (NHSM)5. Nos tentatives pour générer des hPGCLCs commençant par les mêmes clones humains iPSC, mais conservés dans d’autres milieux de croissance iPSC humain disponible dans le commerce avant la culture dans la 4i reprogrammation moyen a donné lieu à des degrés divers des rendements inférieurs à hPGCLC. Bien que si l’adaptation à long terme dans d’autres médias améliore la production de hPGCLC ou ne reste pas être déterminée dans de futures études, cette observation suggère que l’état exact de la pluripotence apprêtée de CISP humaine avant la 4i reprogrammation significativement impact formation EB dans le milieu de 4i et différenciation EB dans un milieu hPGCLC.
Production de hPGCLCs de hiPSCs selon notre protocole est robuste et hautement reproductible, en partie à cause de l’utilisation des plaques microwell qui permettent la production efficace d’un grand nombre d’EBs (~ 8 000 EBs par lot) avec une taille unique (3 000 hiPSCs par EB). Le nombre d’EBs facilement produites en un seul lot d’expérience, en utilisant notre protocole peut être beaucoup plus grand que les méthodes utilisant des puits de culture cellulaire U-bas régulières. Production d’un grand nombre de même taille EBs uniformément parsemé de hPGCLCs peut-être offrir des possibilités uniques de haut débit projections chimiques à identifier petit poids moléculaire activateurs ou inhibiteurs de spécification du PGC ou leur caractéristiques biologiques telles que la reprogrammation épigénétique. Ces EBs peut aussi être utile pour les évaluations toxicologiques d’un grand nombre de substances toxiques de la cellule germinale, en incluant non seulement les polluants environnementaux mais aussi cliniquement les médicaments tels que les agents chimiothérapeutiques.
Les facteurs critiques de la production robuste et reproductible de hPGCLCs en utilisant le protocole présenté comprennent (i) l’utilisation de saine hiPSCs maintenu en mTeSR1 sur la protéine de la matrice extracellulaire, (ii) à inoculer le nombre exact de cellules tel que spécifié et strictement Suivez les timings de changement médiatique et sous-culture, (iii) pour sélectionner la bonne beaucoup de BMP4 recombinante humaine et (iv) afin de minimiser les dommages physiques de EBs pendant le balancement de la culture. C’est notre expérience qui le meilleur lot de réactif BMP4 travaillait à 100 concentration ng/mL alors que l’autre lot de réactifs BMP4 requis 2 X ou plus doses. En revanche, rendement de hPGCLCs production en utilisant le meilleur lot de BMP4 plutôt diminué des doses élevées de BMP4 (p. ex. 200 ng/mL). Nous vous recommandons de tester plusieurs différents lots de recombinant humain BMP4 réactifs provenant de plusieurs fournisseurs pour leur performance en soutenant hPGCLC génération et pour garantir une grande quantité du meilleur lot.
Une particularité de notre protocole de hPGCLC est que hPGCLCs sont localisées sur la couche de surface extérieure de l’EBs10 (Figure 8), tandis que les autres protocoles peuvent générer des hPGCLCs au milieu de la cellule agrégats6,8. Corps embryoïdes tendent à former plusieurs couches distinctes telles que surface, enveloppe extérieure, coque intérieure et noyau, et les régions de noyau central sont souvent nécrotiques en raison de la quantité limitée de nutriments, oxygène, ainsi que pro-survivant des facteurs de croissance fournies forme la culture medium de diffusion20. Localisation de hPGCLCs sur la surface de l’EBs sans restrictions possibles en raison de la faible diffusion vers le centre de l’EBs peut être bénéfique pour l’exposition directe, et dose-temporisation, de hPGCLCs aux drogues ou de substances toxiques pour pharmacologique ou études toxicologiques.
Alors que les souris PGCLCs voir la robuste génome ADN déméthylation impliquant l’impression contrôler des régions au moins en partie7,19,20, le degré de déméthylation Adng global en hPGCLCs semble plus faible que la souris PGCLCS ou PGC6,7. Transcriptomal profils suggèrent que hPGCLCs peut ressembler à un stade plus précoce du PGC embryonnaires de souris PGCLCs10. Il a été rapporté que culture prolongée d’EBs dans des conditions de production de hPGCLC a provoqué un degré accru d’Adng déméthylation7; Toutefois, si une longue période de culture de hPGCLCs dans EBs ou sous forme de cellules isolées peut atteindre des stades plus avancés de la différenciation de la lignée germinale doit être déterminé par les études à venir.
The authors have nothing to disclose.
Nous reconnaissons Shiomi Yawata et Chie Owa pour l’assistance technique pendant les études initiales. Cette étude a été financée par des subventions NIEHS/NIH R01 ES023316 et R21ES024861 de TS et de subvention de l’Institut de recherche médicale de bord (FAMRI) à Amina.
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 |