تحديد وعزل وحدة تشكيل الانفجار ووحدة تشكيل المستعمرات أسلاف الإريثرويد من أنسجة الفأر عن طريق قياس التدفق الخلوي
Summary
هنا ، نصف طريقة جديدة لقياس التدفق الخلوي للعزل المحتمل لوحدة تشكيل الانفجار المبكر erythroid (BFU-e) ووحدة تشكيل المستعمرة erythroid (CFU-e) مباشرة من نخاع عظم الفأر الطازج والطحال. هذا البروتوكول ، الذي تم تطويره بناء على بيانات النسخ أحادية الخلية ، هو الأول الذي يعزل جميع أسلاف الإريثرويد في الأنسجة بنقاوة عالية.
Abstract
تم تعريف أسلاف الإريثرويد المبكرة في الأصل من خلال قدرتها على تكوين مستعمرة في المختبر وتصنيفها إلى “وحدات” لتشكيل الانفجار وتشكيل المستعمرات المعروفة باسم BFU-e و CFU-e. حتى وقت قريب ، لم تكن طرق العزل المباشر والكامل والمحتمل لأسلاف BFU-e و CFU-e النقية من نخاع عظم الفأر البالغ المعزول حديثا متاحة. لمعالجة هذه الفجوة ، تم تحليل مجموعة بيانات RNA-seq أحادية الخلية (scRNAseq) لنخاع عظم الفأر للتعبير عن الجينات المشفرة لعلامات سطح الخلية. تم دمج هذا التحليل مع فحوصات مصير الخلية ، مما يسمح بتطوير نهج جديد لقياس التدفق الخلوي يحدد ويسمح بعزل مجموعات فرعية كاملة ونقية من أسلاف BFU-e و CFU-e في نخاع عظم الفأر أو الطحال. يحدد هذا النهج أيضا مجموعات فرعية سلفية أخرى ، بما في ذلك مجموعات فرعية مخصبة للخلية القاعدية / البدينة وإمكانات الخلايا الضخمة النواة. تتكون الطريقة من وضع علامات على نخاع العظم الطازج أو خلايا الطحال بأجسام مضادة موجهة إلى Kit و CD55. ثم تنقسم الأسلاف التي تعبر عن هاتين العلامتين إلى خمس مجموعات سكانية رئيسية. تحتوي المجموعة 1 (P1 أو CFU-e ، Kit + CD55 + CD49f med / low CD105 med / high CD71 med/ high) على جميع أسلاف CFU-e ويمكن تقسيمها أيضا إلى P1-low (CD71med CD150 high) و P1-hi (CD71 high CD150low) ، المقابلة ل CFU-e المبكر والمتأخر ، على التوالي ؛ السكان 2 (P2 أو BFU-e ، Kit + CD55 + CD49f med / low CD105 med / high CD71منخفض CD150مرتفع) يحتوي على جميع أسلاف BFU-e ؛ السكان P3 (P3 ، Kit + CD55 + CD49f med / high CD105 med /low CD150 منخفض CD41منخفض) مخصب لأسلاف الخلايا القاعدية/ الخلايا البدينة. يتم إثراء السكان 4 (P4 ، Kit + CD55 + CD49f med / high CD105med / low CD150High CD41 +) للأسلاف الضخمة النواة. والسكان 5 (P5 ، Kit + CD55 + CD49f med / high CD105 med /low CD150High CD41–) يحتوي على أسلاف مع إريثرويد ، خلية قاعدية / بدينة ، وإمكانات خلايا النواة الضخمة (EBMP) وأسلاف متعددة الإمكانات متحيزة لخلايا الدم الحمراء / ضخمة النواة/ متحيزة ل القاعدية (MPPs). يسمح هذا النهج الجديد بدقة أكبر عند تحليل الكريات الحمر وغيرها من الأسلاف المكونة للدم ويسمح أيضا بالرجوع إلى معلومات النسخ لكل مجموعة محددة خلويا.
Introduction
يمكن تقسيم تكون الكريات الحمر إلى مرحلتين رئيسيتين: تكون الكريات الحمر المبكر والتمايز النهائي للإريثرويد (الشكل 1) 1،2،3. في الكريات الحمر المبكرة ، تلتزم الخلايا الجذعية المكونة للدم بسلالة الكريات الحمر وتؤدي إلى ظهور أسلاف الإريثرويد المبكرة ، والتي تم تحديدها لأول مرة في 1970s بناء على إمكاناتها في تكوين مستعمرة في وسط شبه صلب4،5،6،7،8،9 . على نطاق واسع ، تنقسم أسلاف الإريثرويد إلى فئتين: السلف السابقة التي يؤدي كل منها إلى “انفجار” (مجموعة كبيرة من مجموعات خلايا الإريثرويد الأصغر) ، تسمى “وحدة تشكيل الانفجار erythroid” أو BFU-e4،5،6 ؛ وذريتهم ، التي يشكل كل منها مجموعة خلايا أو مستعمرة واحدة صغيرة من الكريات الحمر ، تسمى “وحدة تشكيل مستعمرة erythroid” أو CFU-e7،8،9. BFU-e و CFU-e لا يعبران بعد عن جينات الإريثرويد الطرفية ولا يمكن التعرف عليهما شكليا. بعد عدد من انقسامات خلايا التجديد الذاتي أو التوسع ، يخضع CFU-e لتبديل نسخي يتم فيه تحفيز جينات الإريثرويد مثل الغلوبين ، وبالتالي الانتقال إلى التمايز الطرفي الإريثرويد (ETD)1,10. أثناء ETD ، تخضع الأرومات الحمراء لثلاثة إلى خمسة انقسامات خلوية قبل استئصالها لتشكيل خلايا شبكية تنضج إلى خلايا حمراء.
تم تصنيف الأرومات الحمراء أثناء التمايز النهائي في الأصل بناء على مورفولوجيتها إلى أرومات الدم الحمراء ، والقاعدية ، ومتعددة الألوان ، وتقويم الألوان. سمح ظهور قياس التدفق الخلوي بفرزها وعزلها المحتمل بناء على حجم الخلية (يقاس بالتشتت الأمامي ، FSC) وعلامتين لسطح الخلية ، CD71 و Ter119 11،12،13 (الشكل 1). أحدث هذا النهج ونهج قياس التدفق الخلويالمماثل 14 ثورة في التحقيق في الجوانب الجزيئية والخلوية ل ETD ، مما يسمح بتحليل المرحلة التنموية الخاصة بالأرومات الحمراء في الجسم الحي وفي المختبر 10،15،16،17،18،19،20. يستخدم نهج CD71 / Ter119 الآن بشكل روتيني في تحليل سلائف الإريثرويد.
حتى وقت قريب ، كان نهج قياس التدفق الخلوي المماثل الذي يمكن الوصول إليه للعزل المباشر وعالي النقاء ل CFU-e و BFU-e من أنسجة الفئران قد استعصى على المحققين. بدلا من ذلك ، استخدم الباحثون استراتيجيات قياس التدفق الخلوي التي تعزل جزءا صغيرا فقط من هذه الأسلاف ، غالبا في وجود خلايا غير حمراء تشارك في التنقية داخل نفس المجموعات الفرعية لقياس التدفق الخلوي21. وبالتالي ، اقتصر التحقيق في BFU-e و CFU-e على أنظمة التمايز في المختبر التي تستمد وتضخم BFU-e و CFU-e من أسلاف نخاع العظم السابقة. من الممكن بعد ذلك تطبيق استراتيجيات قياس التدفق الخلوي التي تميز CFU-e عن BFU-e في هذه الثقافات المخصب بالسلف الإريثرويد22،23. يستخدم نهج بديل CFU-e الجنيني و BFU-e ، والتي يتم تخصيبها بدرجة عالية في الجزء السلبي Ter119 من كبد الجنين الفأر في منتصف الحمل10،24،25. ومع ذلك ، لا يسمح أي من هذين النهجين بالتحقيق في البالغين BFU-e و CFU-e في حالتهم الفسيولوجية في الجسم الحي. يمكن تقدير حجم التحدي عند تذكر أنه بناء على فحوصات تكوين المستعمرة ، توجد هذه الخلايا في نخاع العظم البالغ بتردد 0.025٪ و 0.3٪ فقط على التوالي6.
البروتوكول الموصوف هنا هو نهج جديد لقياس التدفق الخلوي يعتمد على التحليل النسخي أحادي الخلية لخلايا نخاع عظم الفأر Kit + التي تم حصادها حديثا (يتم التعبير عن Kit من قبل جميع مجموعات السلف المبكرة لنخاع العظام)1. يحتوي نهجنا على بعض علامات سطح الخلية التي كانت قيد الاستخدام بالفعل بواسطة Pronk et al.21,26. تم استخدام النسخ أحادي الخلية لتحديد مجموعات من علامات سطح الخلية التي تحدد الكريات الحمر وغيرها من السلف المكونة للدم المبكرة (الشكل 2). على وجه التحديد ، يمكن تقسيم جزء CD55 + من خلايا Kit + سالبة النسب (Lin–) إلى خمس مجموعات ، ثلاثة منها تنتج أجزاء متجاورة من مسار الكريات الحمر (الشكل 2). تم تأكيد الهويات النسخية لكل من هذه المجموعات السكانية عن طريق الفرز ، متبوعا ب scRNAseq وإسقاط النسخ أحادية الخلية المصنفة مرة أخرى على خريطة النسخ الأصلية (يمكن استكشاف التعبير الجيني في كل من المجموعات السكانية الخمس ومجموعة بيانات نخاع العظم بأكملها في https://kleintools.hms.harvard.edu/paper_websites/tusi_et_al/index.html)1 . تم تأكيد إمكانات مصير الخلية لكل مجموعة من المجموعات باستخدام مقايسات تكوين المستعمرة التقليدية (الشكل 2) ، بالإضافة إلى مقايسة مصير خلية واحدة جديدة عالية الإنتاجية 1,27. تظهر هذه التحليلات أن نهج قياس التدفق الخلوي الجديد يؤدي إلى عزل عالي النقاء لجميع أسلاف BFU-e و CFU-e لنخاع العظم والطحال البالغين الجدد. على وجه التحديد ، يحتوي السكان 1 (P1) فقط على CFU-e ولا يحتوي على أسلاف أخرى مكونة للدم ، ويحتوي السكان 2 (P2) على جميع أسلاف BFU-e في نخاع العظم وعدد صغير من CFU-e ولكن لا يوجد أسلاف أخرى1. يتم توضيح البروتوكول المفصل أدناه بمزيد من التفصيل مع مثال على تجربة في الفئران التي تم حقنها إما بالمحلول الملحي أو بهرمون الإريثروبويتين المنبه لتكوين الكريات الحمر (Epo).
Protocol
Representative Results
Discussion
القدرة على عزل أسلاف BFU-e و CFU-e بشكل مستقبلي مباشرة من الأنسجة الطازجة ذات النقاء العالي قد استعصت على الباحثين في السابق. نهجنا الجديد ، الذي تم التحقق من صحته باستخدام scRNAseq ومقايسات مصير الخلية1،27 ، يقدم الآن الأدوات اللازمة للقيام بذلك.
هناك…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل مدعوم بمنح المعاهد الوطنية للصحة R01DK130498 و R01DK120639 و R01HL141402
Materials
| 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Life Technologies | 15575020 | |
| 1000 µL large orifice tips | USA sceintific | 1011-9000 | |
| Alexa Fluor 647 anti-mouse CD55 (DAF) Antibody | BioLegend | 131806 | |
| APC/Cyanine7 anti-mouse CD117 (c-kit) Antibody | BioLegend | 105826 | |
| Biotin-CD11b | BD Biosciences | 557395 | M1/70 (clone) |
| Biotin-CD19 | BD Biosciences | 553784 | 1D3 (clone) |
| Biotin-CD4 | BD Biosciences | BDB553045 | RM4-5 (clone) |
| Biotin-CD8a | BD Biosciences | BDB553029 | 53-6.7 (clone) |
| Biotin-F4/80 | Biolegend | 123106 | BM8 (clone) |
| Biotin-Ly-6G and Ly-6C | BD Biosciences | 553125 | RB6-8C5 (clone) |
| Biotin-TER-119 | BD Biosciences | 553672 | TER-119 (clone) |
| Bovine Serum Albumin | Sigma aldritch | A1470 | |
| Brilliant Violet 421 anti-human/mouse CD49f Antibody | BioLegend | 313624 | |
| Brilliant Violet 605 anti-mouse CD41 Antibody | BioLegend | 133921 | |
| Brilliant Violet 650 anti-mouse CD150 (SLAM) Antibody | BioLegend | 115931 | |
| BUV395 Rat Anti-Mouse TER-119/Erythroid Cells | BD Biosciences | 563827 | |
| ChromPure Rabbit IgG, whole molecule | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 011-000-003 | |
| DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) | Life Technologies | D1306 | |
| Digital DIVA hardware and software for LSR II | BD Biosciences | ||
| FITC anti-mouse F4/80 Antibody | BioLegend | 123108 | |
| FITC Rat Anti-CD11b | BD Biosciences | 557396 | |
| FITC Rat Anti-Mouse CD19 | BD Biosciences | 553785 | |
| FITC Rat Anti-Mouse CD4 | BD Biosciences | 553047 | |
| FITC Rat Anti-Mouse CD8a | BD Biosciences | 553031 | |
| FITC Rat Anti-Mouse Ly-6G and LY-6C | BD Biosciences | 553127 | |
| FlowJo software | FlowJo | version 10 | Flow cytometer analysis software |
| LSR II digital multiparameter flow cytometer analyzer | BD Biosciences | Flow cytometer | |
| NewlineNY Stainless Steel Hand Masher & Bowl, Mortar and Pestle Set | Amazon | ||
| Normal rat serum | Stem Cell Technologies | 13551 | |
| PE anti-mouse CD105 Antibody | BioLegend | 120408 | |
| PE/Cyanine7 anti-mouse CD71 Antibody | BioLegend | 113812 | |
| Phosphate Buffered Saline, 10x Solution | Fisher scientific | BP3994 | |
| Streptavidin Nanobeads | BioLegend | 480016 | Magnetic beads |
Referências
- Tusi, B. K., et al. Population snapshots predict early haematopoietic and erythroid hierarchies. Nature. 555 (7694), 54-60 (2018).
- Socolovsky, M. The role of specialized cell cycles during erythroid lineage development: Insights from single-cell RNA sequencing. International Journal of Hematology. 116 (2), 163-173 (2022).
- Hwang, Y., Hidalgo, D., Socolovsky, M. The shifting shape and functional specializations of the cell cycle during lineage development. WIREs Mechanisms of Disease. 13 (2), 1504 (2021).
- Axelrad, A. A., McLeod, D. L., Shreeve, M. M., Heath, D. S., Robinson, W. A. Properties of Cells that Produce Erythrocytic Colonies In Vitro. Hemopoiesis in Culture. , (1974).
- Heath, D. S., Axelrad, A. A., McLeod, D. L., Shreeve, M. M. Separation of the erythropoietin-responsive progenitors BFU-E and CFU-E in mouse bone marrow by unit gravity sedimentation. Blood. 47 (5), 777-792 (1976).
- Iscove, N. N., Sieber, F. Erythroid progenitors in mouse bone marrow detected by macroscopic colony formation in culture. Experimental Hematology. 3 (1), 32-43 (1975).
- Gregory, C. J., McCulloch, E. A., Till, J. E. Erythropoietic progenitors capable of colony formation in culture: State of differentiation. Journal of Cell Physiology. 81 (3), 411-420 (1973).
- Gregory, C. J., Tepperman, A. D., McCulloch, E. A., Till, J. E. Erythropoietic progenitors capable of colony formation in culture: Response of normal and genetically anemic W-W-V mice to manipulations of the erythron. Journal of Cell Physiology. 84 (1), 1-12 (1974).
- Gregory, C. J. Erythropoietin sensitivity as a differentiation marker in the hemopoietic system: studies of three erythropoietic colony responses in culture. Journal of Cell Physiology. 89 (2), 289-301 (1976).
- Pop, R., et al. A key commitment step in erythropoiesis is synchronized with the cell cycle clock through mutual inhibition between PU.1 and S-phase progression. PLoS Biology. 8 (9), 1000484 (2010).
- Koulnis, M., et al. Identification and analysis of mouse erythroid progenitors using the CD71/TER119 flow-cytometric assay. Journal of Visualized Experiments. (54), e2809 (2011).
- Liu, Y., et al. Suppression of Fas-FasL coexpression by erythropoietin mediates erythroblast expansion during the erythropoietic stress response in vivo. Blood. 108 (1), 123-133 (2006).
- Socolovsky, M., et al. Ineffective erythropoiesis in Stat5a(-/-)5b(-/-) mice due to decreased survival of early erythroblasts. Blood. 98 (12), 3261-3273 (2001).
- Chen, K., et al. Resolving the distinct stages in erythroid differentiation based on dynamic changes in membrane protein expression during erythropoiesis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (41), 17413-17418 (2009).
- Hwang, Y., Hidalgo, D., Socolovsky, M. The shifting shape and functional specializations of the cell cycle during lineage development. WIREs Mechanisms of Disease. 13 (2), 1504 (2020).
- Hidalgo, D., et al. EpoR stimulates rapid cycling and larger red cells during mouse and human erythropoiesis. Nature Communications. 12 (1), 7334 (2021).
- Porpiglia, E., Hidalgo, D., Koulnis, M., Tzafriri, A. R., Socolovsky, M. Stat5 signaling specifies basal versus stress erythropoietic responses through distinct binary and graded dynamic modalities. PLoS Biology. 10 (8), 1001383 (2012).
- Koulnis, M., et al. Contrasting dynamic responses in vivo of the Bcl-xL and Bim erythropoietic survival pathways. Blood. 119 (5), 1228-1239 (2012).
- Shearstone, J. R., et al. Global DNA demethylation during mouse erythropoiesis in vivo. Science. 334 (6057), 799-802 (2011).
- Koulnis, M., Liu, Y., Hallstrom, K., Socolovsky, M. Negative autoregulation by Fas stabilizes adult erythropoiesis and accelerates its stress response. PLoS One. 6 (7), 21192 (2011).
- Pronk, C. J., et al. Elucidation of the phenotypic, functional, and molecular topography of a myeloerythroid progenitor cell hierarchy. Cell Stem Cell. 1 (4), 428-442 (2007).
- Dolznig, H., et al. Expansion and differentiation of immature mouse and human hematopoietic progenitors. Methods in Molecular Medicine. 105, 323-344 (2005).
- Li, J., et al. Isolation and transcriptome analyses of human erythroid progenitors: BFU-E and CFU-E. Blood. 124 (24), 3636-3645 (2014).
- Zhang, J., Socolovsky, M., Gross, A. W., Lodish, H. F. Role of Ras signaling in erythroid differentiation of mouse fetal liver cells: Functional analysis by a flow cytometry-based novel culture system. Blood. 102 (12), 3938-3946 (2003).
- Flygare, J., Rayon Estrada, V., Shin, C., Gupta, S., Lodish, H. F. HIF1alpha synergizes with glucocorticoids to promote BFU-E progenitor self-renewal. Blood. 117 (12), 3435-3444 (2011).
- Pronk, C. J., Attema, J., Rossi, D. J., Sigvardsson, M., Bryder, D. Deciphering developmental stages of adult myelopoiesis. Cell Cycle. 7 (6), 706-713 (2008).
- Khoramian Tusi, B., Socolovsky, M. High-throughput single-cell fate potential assay of murine hematopoietic progenitors in vitro. Experimental Hematology. 60, 21-29 (2018).
- Erslev, A. J., Caro, J. Erythropoietin titers in response to anemia or hypoxia. Blood Cells. 13 (1-2), 207-216 (1987).
- Koury, M. J., Bondurant, M. C. The molecular mechanism of erythropoietin action. European Journal of Biochemistry. 210 (3), 649-663 (1992).
