원시 생식 세포 (PGCs)는 정자와 모두의 일반적인 선구자. 인간의 배아 PGCs cytokines의 상호 작용을 통해 만능 epiblast 셀에서 지정 됩니다. 여기, 우리가 유도 액 pluripotency 유도 만능 줄기 세포에서 embryoid 몸 표면에 PGCs을 닮은 인간의 세포 transcriptomally의 13 일 프로토콜을 설명 합니다.
원시 생식 세포 (PGCs)는 모든 생식 세포의 일반적인 선구자. 마우스 배아에서 40 ~ PGCs의 창립 인구는 만능 epiblast 세포에서 cytokines, 뼈 morphogenetic 단백질 4 (Bmp4)를 포함 하 여 조율 된 노출에 의해 유발 됩니다. 인간 배아, 초기 PGCs 임신, 3rd 주 말께 른 골목의 endodermal 벽에 확인 되었습니다 하지만 작은 인간의 PGC 사양 및 그들의 초기 발달의 과정에 대 한 알려져 있다. 인간의 배아 PGCs의 기술 및 윤리적인 장벽을 우회 하 대리 셀 문화 모델 최근 pluripotent 줄기 세포에서 생성 된 것. 여기, 우리 인간의 PGC-Like 셀 (hPGCLCs)의 강력한 생산에 대 한 일 프로토콜을 설명합니다. 인간 유도 만능 줄기 세포 (hiPSCs) 끝났다 pluripotency 상태에서 유지 재프로그래밍 매체 48 시간에 대 한 4i 순진한에 인 큐베이 팅, 단일 셀에 해리 있으며 microwells로 포장. 순진한 pluripotency 상태에서 hiPSCs의 장시간된 유지 보수 중요 한 염색체 착오 원인과 피해 야 한다. hiPSCs는 microwells에 추가 4i 매체 형태 embryoid 시체 (EBs), 그는에 있는 24 시간 배양 낮은 준수 plasticware의 높은 농도 포함 하는 hPGCLC 유도 매체에 락 조건에 대 한 유지 됩니다. 재조합 인간 BMP4입니다. HPGCLCs의 최대 수율을 얻기 위해 락, 비 부착 상태에서 최대 8 일 동안 EBs 교양 추가. Immunohistochemistry로 hPGCLCs 그들의 표면에 독점적으로 거의 모든 EBs에서 OCT4를 강하게 표현 하는 세포로 쉽게 검색 됩니다. HPGCLCs CD38 + 셀 최대 40-45%으로 수집 될 수 있습니다 때 EBs는 효소 해리 FACS 농축을 복종, 항복.
원시 생식 세포 (PGCs)는 남녀 모두에서 모든 생식 세포의 일반적인 선구자. 포유류 배아에 PGCs의 개발에 우리의 지식의 대부분이 실험실 쥐1,2공부를 통해 얻은 되었습니다. 마우스 배아의 배아 하루 6.0-6.5, 6 또는 유사한 PGC 선구자의 작은 숫자 epiblast, 그리고 창립 ~ 40 PGCs 방식으로 뼈 morphogenetic 단백질 Bmp2, Bmp4 인접에서 분 비에 의존 그들 로부터 유도 된다 인구에 있는 셀입니다. 배아에서 지금까지 확인 된 가장 이른 인간 PGCs 임신3의 제 3의 주에의 끝 주위에 노 른 자 골목의 endodermal 벽에 있었다. 이것이 같은 장소 마이그레이션 PGCs 마우스 배아에서 관찰 된다, 때문에 그것은 가능성이 관찰된 인간의 PGCs 마이그레이션 하지 창립 인구의 경로에 있었다. 그러나, 이전 단계를 다시 추적 연구 PGCs 또는 PGC의 인간 배아에서 일어나 누락 되었습니다.
인간의 배아 PGCs에 대 한 액세스 기술 및 윤리적인 장애 때문에 도전 이다. 이러한 장애물을 극복 하기 위해 PGC 같은 셀 문화 모델 최근 인간 만능 줄기 세포 (PSCs)에서 생성 된 것. Pluripotency는 생식 및 3 개의 미 발달 세균 층4으로 차별화 하는 세포질 기능입니다. 반면 인간의 Psc mTeSR1 매체 (준비–사용, 상업적으로 이용 가능한 매체 끝났다 pluripotency 상태에서 인간의 Psc의 유지 보수에 대 한 구상)에 세포 외 기질 단백질으로 코팅 하는 요리에 유지는 액 상태 pluripotency 4, 2013 년에 야 곱 한 나의 실험실 보였다 끝났다 pluripotency 셀 ERK1/2, GSK3, 설립, 바위, PKC, 단백질 kinases에 화학 억제제를 포함 순진한 인간 줄기 세포 매체 (NHSM)에 노출 하 여 순진한 pluripotency 상태도 변환할 수 있습니다 및 p38 MAPK 뿐만 아니라 성장 요인 LIF, TGF, bFGF5. 순진한 pluripotency 인간의 Psc에서 2015 년에 나와 Azim Surani 이끄는 연구 그룹 PSCs6에서 인간 PGC-Like 셀 (hPGCLCs)의 첫 번째 강력한 생산 달성. 나중에, 우리를 포함 한 다른 여러 실험실 보고 약간 다른 프로토콜7,8,,910을 사용 하 여 Psc에서 hPGCLCs의 세대. 우리의 연구 제공 증거 (우리가 이전에 게시 연구10의 표 s 1에서 요약 된다)는 서로 다른 프로토콜을 사용 하 여 생성 하는 hPGCLCs transcriptomally10를 서로 비슷합니다. 사용할 수 있는 증거는 초기 단계의 인간 배아 PGCs 글로벌 epigenetic 삭제7 또는 혈 마이그레이션10이전에 인간 PGCLCs의 유사를 지원합니다.
연구의 마우스 배아 PGCs, 마우스 PGCLCs, 및 인간 PGCLCs (하지만 유일한 인간 PGCs에 대 한 매우 제한 된 액세스) PGC의 분자 메커니즘 마우스와 인간1,6, 사이 크게 차이가 밝혀 7,8,9,10,11,12,13,,1415,16 ,17. 예를 들어 마우스 배아에서 PGC 사양에 중요 한 역할을 담당 하는 Prdm14 보이지만 인간의 PGC 사양에서의 역할 제한1,15. 대조적으로, SOX17 EOMESODERMIN에 의해 유도이 녹음 방송 요인 것 마우스 PGC 사양15불가결 반면 PGC 사양6,,1114, 필수적 이다. 연구 강하게 hPGCLCs를 사용 하 여 이러한 초기 성과 인간의 배아 PGCs의 대리로 서이 세포 문화 모델의 중요성을 지원 합니다.
최근에 출판 된, genomic DNA 복사 번호 분석, 실험실의 깊은 시퀀싱 평가 관련 연구 순진한 pluripotency 상태에 Psc의 장기 유지 보수 크게 염색체 불안정성의 위험을 증가 하 고 구조상 변칙입니다. 이 현상은 마우스18 와 인간의19 Psc 관찰 되었다. 한 나/Surani에 의해 보고 된 원래 hPGCLC 생산 프로토콜 2 주64i 순진한 pluripotency 매체에 유지 하는 인간의 Psc에 대 한 개발 되었다. 인간의 PSCs 및 PGCLCs의 정상적인 2 중 karyotype를 유지 하려면 우리는 인간의 PSCs 72 시간10,이 문서에 표시 됩니다에 대 한 4i 매체에 노출 되는 수정 된 프로토콜을 개발 했다. 인간의 Ipsc (hiPSCs)는 끝났다 pluripotency 상태 유지 됩니다. EB 형성 직전 세포는 인 큐베이 팅 4i 순진한 재활 매체 (수정된 NHSM 매체)에서 48 시간 동안. 셀 해리 그리고 4i 매체에 추가 24 시간 형태로 EBs microwells에 포장 됩니다. EBs는 hPGCLCs의 최대 수확량을 얻기 위해 최대 8 일 동안 아니 첨부 문화에 대 한 락 조건 하에서 재조합 인간 BMP4의 높은 농도 포함 하는 hPGCLC 유도 매체에 유지 됩니다. 8 일 EB 문화, 후 hPGCLCs 수 FACS에 의해 해리 EB 셀에서 절연 CD38 + 최대 40%까지 셀 FACS 정렬 가능한 단일 셀에 항복. 반면 다른 출판 방법7,,89, 우리의 수정6, 전에 원래 프로토콜을 포함 하 여 일반적으로 생성 hPGCLCs 관련 없이 자발적으로 형성 된 셀 집계 지역화, 우리의 프로토콜에 의해 생산 하는 hPGCLC embryoid 몸 (EBs)의 표면에서 관찰 된다.
여기 설명 된 프로토콜을 사용 하 여 hPGCLCs의 강력한 생산 일반 2 중 karyotype10인간의 Ipsc의 3 개의 독립적인 클론으로 확인 됐다. 이러한 iPSC 클론 같은 인간의 신생아 피부 피부 섬유 아 세포 세포 문화10에서 파생 되었다. 그들은 조사 요청 시 및 적절 한 자료 전송 계약 및 배송 냉동된 라이브 인간 세포의 배열에서이 문서의 저자에 의해 제공 됩니다. 그것은 현재 정상 karyotype 우리의 프로토콜 또는 그 다른 실험실에 의해 보고를 사용 하 여 강력한 hPGCLC 생산에 필요한 인지로 알려진.
최근 연구에서 hiPSCs11 또는 ESCs14 교토 대학8 의 사이토의 그룹에 의해 설명 된 프로토콜을 사용 하 여 hPGCLCs의 생산은 EOMESODERMIN의 표현에 따라, T-상자 전사 요소에 필요한 SOX17의 감 응 작용입니다. SOX17 인간 pluripotent 줄기 세포6의 생식 차별화에 녹음 방송 요인 결정 하는 마스터 혈통으로 기능 것으로 보인다. EOMESODERMIN, EOMES 유전자에 의해 부호화 및 EOMES 의 CRISPR/Cas9 녹아웃 생산 조건11, hPGCLC에 SOX17 유도의 거의 완전 한 부재를 발생 및 표현의 다른 유전자의 동일한 패턴에 따라 고 SOX17-null 녹아웃 셀입니다. EOMES에서 유도할 수 있는 벡터에서 EOMESODERMIN의 overexpression-hPGCLC 유도 문화 중 null 녹아웃 셀 효율적으로 강력한 hPGCLC 생산 뿐만 아니라 생식 유전자, SOX17 등의 유도 구조. 반면, 유도 overexpression SOX17는 또한 강력한 PGCLC 생산을 구출 하지 않고 EOMES를 유도. 따라서, EOMESODERMIN SOX17의 중요 한 업스트림 유도 이며이 인간 만능 줄기 세포에서 hPGCLC 유도에 EOMESODERMIN의 단 하나 가장 중요 한 역할을 것으로 보인다. 우리의 프로토콜 hiPSCs10, SOX17 유도 하지만 EOMESODERMINE 유도에 종속성 결정을 기다리고 있다.
이 프로토콜 변환 액 pluripotency 인간의 Ipsc ERK 독립적인 순진한 pluripotency mTeSR1 매체에서는 수정된 순진한 인간 줄기 세포 매체 (NHSM)5중간6, 프로그래밍에 4i 96 시간에 대 한 유지 합니다. 같은 인간의 iPSC 클론으로 시작 하지만 다른 상용 인간의 iPSC 성장 매체에 유지 하는 정도의 낮은 hPGCLC 수율의 귀착되 었 다 문화는 4i에 매체를 프로그래밍 하기 전에 hPGCLCs를 생성 하는 우리의 시도 합니다. 다른 미디어에서 장기 적응 hPGCLC 생산을 향상 또는 유지 하지 여부는 미래 연구에 결정 될,이 관찰을 제안 크게 프로그래밍는 4i 전에 인간의 Ipsc의 끝났다 pluripotency의 정확한 상태 EB 형성 4i 매체에서와 hPGCLC 매체에 EB 차별화에 미치는 영향.
HiPSCs 우리의 프로토콜을 다음에서 hPGCLCs의 생산은 강력 하 고 EBs의 다 수의 효율적인 생산을 가능 하 게 microwell 플레이트의 사용 때문에 부분적으로 높은 재현성 (~ 8000 일괄 처리당 EBs) 균일 한 크기 (EB 당 3000 hiPSCs). 쉽게 우리의 프로토콜을 사용 하 여 실험의 단일 일괄 처리에서 생산 하는 EBs의 수는 일반 U-하단 셀 문화 우물을 사용 하는 방법 보다 훨씬 더 큰 수 있습니다. 많은 수의 동등 하 게 크기의 EBs hPGCLCs에 균일 하 게 박 혀의 생산 작은 분자 무게 활성 제 또는 PGC 사양에 영향을 미치는 억제제를 식별 하기 위해 높은 처리량 화학 검사의 기회를 제공할 수 있습니다 또는 그들의 epigenetic 프로그래밍 등 생물학적 특성입니다. 이러한 EBs 또한 생식 세포 이용과, 환경 오염 물질 뿐만 아니라 또한 임상 처방된 약물 화학요법 에이전트 등을 포함 하 여 다 수의 독성 평가에 유용할 수 있습니다.
(I) (ii)를 엄격 하 게 지정 된 셀의 정확한 수를 접종 세포 외 기질 단백질에 mTeSR1에서 유지 하는 건강 한 hiPSCs의 사용을 포함 하는 제시 프로토콜을 사용 하 여 hPGCLCs의 강력 하 고 재현할 수 생산의 중요 한 요소 중간 변경 및 subculture, (iii) 좋은 많은 인간 재조합 BMP4, 및 (iv) 락 문화 중 EBs의 실제 손해를 최소화 하기 위해 선택의 타이밍에 따라. 그것은 우리의 경험 BMP4 시 약의 다른 많은 2 X 또는 더 큰 복용량을 요구 하는 반면 BMP4 시 약의 가장 많은 100 ng/mL 농도에서 일했다. 반면에, hPGCLCs 생산을 사용 하 여 가장 많이 BMP4 BMP4의 더 높은 복용량에서 오히려 감소의 수확량 (예를들면, 200 ng/mL). 여러 다른 많은 hPGCLC 세대를 지 원하는 그들의 성능에 대 한 여러 공급 업체에서 얻은 재조합 인간 BMP4 시 약을 테스트 하 고 최고의 많은의 큰 금액을 확보 하는 것이 좋습니다.
우리의 hPGCLC 프로토콜의 독특한 특징은 hPGCLCs EBs10 (그림 8)의 가장 바깥쪽 표면 층에 지역화 된 반면 다른 프로토콜 셀 집계6,8중간 hPGCLCs를 생성할 수 있습니다. Embryoid 몸 표면, 바깥쪽, 안쪽 껍질, 코어, 등 여러 가지 계층을 형성 하는 경향이 있으며 중앙 코어 지역 종종 프로 살아남은 성장 요인 제공 형태는 문화 뿐만 아니라 영양소, 산소의 제한 된 공급으로 인해 괴 사 성 매체 유포20. EBs의 중심으로 제한 된 보급 때문 가능한 제한 없이 EBs의 표면에 hPGCLCs의 지역화, 시간 및 복용량 제어에 직접 노출 hPGCLCs의 약물 이나 독성 물질에 대 한 도움이 될 수 있습니다 약물 또는 독성에 관한 연구입니다.
마우스 PGCLCs 쇼 강력한 게놈 전체 DNA demethylation는 각 인을 포함 적어도 부분적으로 영역을 제어 하는 반면7,,1920, hPGCLCs에서 글로벌 gDNA demethylation의 마우스 보다 약한 것 같다 PGCLCS 또는 PGCs6,7. Transcriptomal 프로 파일 hPGCLCs 마우스 PGCLCs10PGCs 배아의 초기 단계를 유사할 수 있습니다는 것이 좋습니다. 그것은 알려졌다 hPGCLC 생산의 조건 하에서 EBs의 장기간된 문화 gDNA demethylation7;의 증가 발생 그러나, 미래 연구에 의해 결정 될 필요 hPGCLCs EBs에서 또는 고립 된 세포로 서의 문화의 장기간 생식 차별화의 고급 단계를 달성할 수 있는 여부.
The authors have nothing to disclose.
우리 인정 시오미 야와타 Chie Owa 초기 연구 기간 동안 기술 지원 합니다. 이 연구는 JHH 승무원 의료 연구 연구소 (FAMRI) 부여와 NIEHS/NIH 보조금 R01 ES023316 및 R21ES024861 TS에 의해 지원 되었다.
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 | Comments |
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 | Comments |
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 | Comments |
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 | Comments |
Isolating hPGCLC | |||
Embryoid Body Dissociation Kit | Miltenyi Biotec | 130-096-348 | |
Anti-CD38 antibody conjugated to APC | abcam | ab134399 |