Differenzierung und Charakterisierung neuronaler Vorläufer und Neuronen aus embryonalen Stammzellen der Maus
Summary
Wir beschreiben das Verfahren zur In-vitro-Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus in neuronale Zellen mit der Hanging-Drop-Methode. Darüber hinaus führen wir eine umfassende phänotypische Analyse durch RT-qPCR, Immunfluoreszenz, RNA-seq und Durchflusszytometrie durch.
Abstract
Wir beschreiben das schrittweise Verfahren zur Kultivierung und Differenzierung embryonaler Stammzellen von Mäusen in neuronale Linien, gefolgt von einer Reihe von Assays zur Charakterisierung der differenzierten Zellen. Die embryonalen Stammzellen der E14-Maus wurden verwendet, um embryoide Körper durch die Hängende-Drop-Methode zu bilden, und dann induziert, sich durch Retinsäure in neuronale Vorläuferzellen zu differenzieren und schließlich in Neuronen zu differenzieren. Quantitative Reverse-Transkription-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) und Immunfluoreszenzexperimente zeigten, dass die neuronalen Vorläufer und Neuronen am Tag 8 bzw. 12 nach der Differenzierung entsprechende Marker (Nestin für neuronale Vorläufer und Neurofilament für Neuronen) aufweisen. Durchflusszytometrie-Experimente an einer E14-Linie, die einen Sox1-Promotor-gesteuerten GFP-Reporter exprimierte, zeigten, dass etwa 60% der Zellen an Tag 8 GFP-positiv sind, was auf die erfolgreiche Differenzierung neuronaler Vorläuferzellen in diesem Stadium hinweist. Schließlich wurde die RNA-seq-Analyse verwendet, um die globalen transkriptomischen Veränderungen zu profilieren. Diese Methoden sind nützlich, um die Beteiligung bestimmter Gene und Signalwege an der Regulierung des Zellidentitätsübergangs während der neuronalen Differenzierung zu analysieren.
Introduction
Seit ihrer ersten Ableitung aus der inneren Zellmasse der sich entwickelnden Mausblastozysten1,2, wurden embryonale Mausstammzellen (mESC) als leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung der Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzellen verwendet3. Darüber hinaus führt die Untersuchung der mESC-Differenzierung zu einem enormen Verständnis molekularer Mechanismen, die die Effizienz und Sicherheit in der stammzellbasierten Therapie bei der Behandlung von Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen verbessern können4. Im Vergleich zu Tiermodellen bietet dieses In-vitro-System viele Vorteile, darunter Einfachheit in der Praxis und Bewertung, geringe Kosten bei der Pflege von Zelllinien im Gegensatz zu Tieren und relative Leichtigkeit bei genetischen Manipulationen. Die Effizienz und Qualität differenzierter Zelltypen wird jedoch häufig durch unterschiedliche Linien von mES-Zellen sowie die Differenzierungsmethoden5,6beeinflusst. Auch die traditionellen Assays zur Bewertung der Differenzierungseffizienz beruhen auf der qualitativen Untersuchung ausgewählter Markergene, denen es an Robustheit mangelt und die daher globale Veränderungen in der Genexpression nicht erfassen.
Hier wollen wir eine Batterie von Assays zur systematischen Beurteilung der neuronalen Differenzierung einsetzen. Mit traditionellen In-vitro-Analysen an ausgewählten Markern und RNA-seq etablieren wir eine Plattform zur Messung der Differenzierungseffizienz sowie der transkriptomischen Veränderungen während dieses Prozesses. Basierend auf einem zuvor etablierten Protokoll7erzeugten wir embryoide Körper (EBs) durch die Hanging-Drop-Technik, gefolgt von induktion unter Verwendung supraphysiologischer Mengen an Retinsäure (RA), um neuronale Vorläuferzellen (NPCs) zu erzeugen, die anschließend zu Neuronen mit neuronalem Induktionsmedium differenziert wurden. Um die Effizienz der Differenzierung zu untersuchen, haben wir zusätzlich zu den traditionellen RT-qPCR- und Immunfluoreszenz(IF)-Assays RNA-seq und Durchflusszytometrie durchgeführt. Diese Analysen liefern eine umfassende Messung des Verlaufs der stufenspezifischen Differenzierung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Methode zur neuronalen Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus ist seit Jahrzehnten etabliert, und die Forscher haben die vorherigen Protokolle weiter modifiziert oder neue für verschiedene Zwecke geschaffen7,10,11. Wir verwendeten eine Reihe von Assays, um die Effizienz und den Fortschritt der Differenzierungsstufen von mESCs zu Neuronen umfassend zu analysieren, die bei der Analyse anderer Abstammungsdifferen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss des NIH (1R35GM133496-01) an Z. Gao unterstützt. Wir danken Dr. Ryan Hobbs für die Unterstützung bei der Sektionierung. Wir danken den Kerneinrichtungen des Penn State College of Medicine, einschließlich der Genomwissenschaften und Bioinformatik, der Advanced Light Microscopy Imaging und der Durchflusszytometrie. Wir danken auch Dr. Yuka Imamura für die Unterstützung bei der 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 |
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