İnsan Pluripotent Kök Hücreler Telencephalic glutamaterjik Nöron Şartnamesi
Summary
Bu işlem insan gelişimi sırasında gözlenen benzemektedir kontrol noktaları geçerek telencephalic nöronlar verir. Hücreler, kendiliğinden ayırt etmek için izin nöral soy doğru itip faktörlere maruz kalabilir, izole edilir, ve terminal farklılaşma ve olgunlaşma için izin lamelleri üzerine kaplanır.
Abstract
Burada, etkili bir şekilde insan pluripotent kök hücreleri (PSC'ler) dan telencephalic glutamaterjik nöronlar üretmek için bir aşamalı prosedürü tarif edilmiştir. Farklılaştırma prosesi hücreler bir süspansiyon kültürü içinde yerleştirilmiş iken agregatlar oluşturması için yuvarlak kümeleri haline insan PSC'ler kırılma tarafından başlatılır. Agregalar sonra spontan farklılaşma sağlamak için günde 1-4 hESC ortamda yetiştirilen. Bu süre boyunca, hücreler üç germ tabakasından herhangi haline kapasitesine sahiptir. Günde 5-8, hücrelerin nöral soy içine itmek için bir nöral indüksiyon ortamı olarak yerleştirilir. Günde 8 civarında, hücreler 6 kuyucuğu üzerine takın ve hangi zaman nöroepitelyal hücrelerin formu sırasında ayırt etmek için izin verilir. Bunlar, nöroepitelyal hücreler 17. günde de izole edilebilir. Onlar lamelleri üzerine kaplama için hazır olana kadar hücreler daha sonra neurospheres olarak muhafaza edilebilir. Herhangi caudalizing faktörü olmadan bir temel ortam kullanılarak, nöroepitelyal hücreler specifie olansonra daha verimli dorsal telencephalic ataları ve glutamaterjik nöronları içine ayrılabilirler telencephalic öncüleri, içine d. Genel olarak, bizim sistem bu nöronların gelişimi ve onları etkileyen hastalıklar çalışma araştırmacılar için insan glutamaterjik nöronlar oluşturmak için bir araç sağlar.
Introduction
İnsan embriyonik kök hücreleri (hESC) ve indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSCs) de dahil olmak üzere insan pluripotent kök hücreleri (PSC'ler), nöronlar 1-3 dahil olmak üzere vücuttaki her hücre tipi, oluşturmak için kapasitesine sahiptir. Insan PSC'ler çeşitli nöronal alt tipinin farklılaşması yönlendirilmiş rejeneratif tıpta bu hücrelerin uygulama için anahtar tutar. Geliştirme sırasında fonksiyonel nöronal subtiplerinin nesil nöral soyunun indüksiyon, rostro-kaudal ekseni boyunca bölgesel progenitörlerinin şartname ve 4,5 bölgesel öncü hücrelerden post-mitotik nöron tiplerinin farklılaşması içeren karmaşık bir süreçtir. 2001 yılında başlayarak, çeşitli sistemleri nöronal alt 6,7 sonraki nesil için bir platform sağladı hESC gelen nöral soy üretmek için kurulmuştur. Gelişimsel ilkeler, spinal motor nöronlar 8-12, orta beyin dop gibi birçok nöron tiplerinin dayanarakaminerjik nöronlar 13-15 ve nöral retina hücreleri 16,17 verimli insan PSC'ler gelen belirtildi. Bu in vivo gelişimi sırasında bu tür nöron özellikleri için önemli olan kritik morphogens uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Diğer protokoller de farklılaşma 21 tanıtmanıza yardımcı olacak gibi küçük moleküller veya diğer hücre türleri ile ortak kültür tarafından ek faktörler 18-20 kullanılarak nöron içine hESC farklılaşma teşvik etmek geliştirilmiştir.
İnsan neokorteks derece gelişmiş ve öğrenme, bellek ve bilişsel işlev 22,23 önemli bir rol oynamaktadır glutamaterjik nöronlar da dahil olmak üzere pek çok hücre tipi içerir. Kültür glutamaterjik nöronlar üreten ilk adım telencephalic progenitör hücrelerin belirtmektir. Yoshiki Sasai grubunun ilk serumsuz suspensio kullanarak fare EKH (mESCs) den telencephalic öncüllerinin yönetti farklılaşma bildirdiDKK1 varlığında (Wnt sinyal inhibe eden) yanı sıra LeftyA (boğum sinyalleme inhibe eden) 24 n kültürü. Daha sonra, bizimki de dahil olmak üzere çeşitli gruplar da serum serbest orta 25-27 insan PSC'ler gelen telencephalic öncüllerinin belirtimi bildirdin. Insan PSC'ler dan telencephalic öncüleri kuşak eksojen morphogens ve bunların öncüleri üreten verim kullanımı mESCs 26,27 dan daha çok daha yüksek olduğu gerektirmez. Burada, iyi Zhang'ın grubu 7 tarafından kurulmuştur nöral indüksiyonu için kimyasal olarak tanımlanmış sistem tarif edilmiştir. Ekzojen caudalizing faktörlerin yanı sıra, bu aynı protokol verimli bir şekilde insan PSC'ler 27 telencephalic öncüleri oluşturur. Bunlar ataları sonra Wnt ve sonik kirpi (SHH) arasında sinyal düzenleyerek dorsal veya ventral ataları olarak ayrılabilirler. Dorsal öncüllerinden daha glutamaterjik nöronlar e farklılaşabilmektedirfficiently 27. Buna ek olarak, bu protokol, aynı zamanda hastalıkların büyük bir dizi eylem için aynı zamanda potansiyel tedavilerinin mekanizma keşfetmek için kullanılabilir hastaya özel nöron üretimi sağlayan insan iPSCs 28 den glutamaterjik nöronların üretimi için iyi sonuç . Bunun yanı sıra, sistem aynı zamanda telencephalon da farklı nöronal tiplerinin gelişimi ve özellikleri keşfetmek için bir platform sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nöral farklılaşma sürecinde çok kritik adımlar vardır. Aksi takdirde hücrelerin önceden nöronal olmayan soy olma yolunda önyargılı olabilir, çünkü insan PSC'ler pluripotent olduğundan emin olmak için önemlidir. Bu, bu tür Oct4, Sox2, Nanog, ve Tic-1-60 olarak 1-3 pluripotency belirteçler karşı antikorlar ile insan PSC'ler lekeleme ile teyit edilebilir. İnsan PSC'ler onları pasajlanmasını sonra çok iyi ekleyiniz yoksa, ROCK inhibitörü (Y27632) yardım eklenebilir. Sist…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar cömertçe FOXG1 antikor sağlamak için Dr Y. Sasai teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışma Connecticut Kök Hücre Araştırma Hibeler (08-SCB-UCHC- 022 ve 11-SCB24) ve Spastik Parapleji Vakfı tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Reagent | Supplier | Catalog # |
| Dulbecco’s modified eagle medium with F12 nutrient mixture (DMEM/F12) | Gibco | 11330-032 |
| Knockout Serum Replacer | Gibco | 10828-028 |
| L-glutamine (200 mM) | Gibco | 25030 |
| Non Essential Amino Acids | Gibco | 1140-050 |
| 2-Mercaptoethanol (14.3 M) | Sigma | M-7522 |
| Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 |
| N2 | Gibco | 17502-048 |
| B27 | Gibco | 12587-010 |
| Heparin | Sigma | H3149 |
| Poly-L-ornithine hydrobromide (polyornithine) | Sigma | 116K5103 |
| Laminin (human) | Sigma | L-6274 |
| Laminin (mouse) | Invitrogen | 23017-015 |
| FBS | Gemini | 100-106 |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A-7906 |
| Dispase | Gibco | 17105-041 |
| Collagenase | Invitrogen | 17104-019 |
| Accutase | Innovative Cell Technologies | AT104 |
| ROCK Inhibitor | Stemgent | 04-0012 |
| SB431542 | Stemgent | 04-0010 |
| Dorsomorphin | Stemgent | 04-0024 |
| Fibroblast growth factor 2 (FGF2, bFGF) | Invitrogen | 13256-029 |
| Trypsin inhibitor | Gibco | 17075 |
| 0.1% gelatin | Millipore | ES-006-B |
| Foxg1 antibody | Dr. Y. Sasai | |
| Hoxb4 antibody (1:50) | Developmental Studies Hybridoma Bank | I12 |
| Pax6 antibody (1:5000) | Developmental Studies Hybridoma Bank | PAX6 |
| Nkx2.1 antibody (1:200) | Chemicon | MAB5460 |
| Tbr1 antibody (1:2000) | Chemicon | AB9616 |
| vGLUT1 antibody (1:100) | Synaptic Systems | 135302 |
| Brain derived neurotrophic factor (BDNF) | PrepoTech Inc. | 450-02 |
| Glial derived neurotrophic factor (GDNF) | PrepoTech Inc. | 450-10 |
| Insulin growth factor 1 (IGF1) | PrepoTech Inc. | 100-11 |
| Cyclic AMP (cAMP) | Sigma | D-0260 |
| Sonic hedgehog (SHH) | R&D | 1845-SH |
| 50 ml tubes | Becton Dickinson (BD) | 352098 |
| 15 ml tubes | BD | 352097 |
| 6 well plates | BD | 353046 |
| 24 well plates | BD | 353047 |
| T25 flasks (untreated) | BD | 353009 |
| T75 flasks (untreated) | BD | 353133 |
| Coverslips | Chemiglass Life Sciences | 1760-012 |
| 6 cm Petri dishes | BD | 353004 |
| 9” glass pipetes | Fisher | 13-678-20D |
| Steriflip filters (0.22 μM) | Millipore | SCGP00525 |
| Stericup filters 1,000 ml (0.22 μM) | Millipore | SCGPU10RE |
| Phase contrast microscope (Observer A1) | Zeiss | R2625 |
| Carbon dioxide incubator (Hera Cell 150) | Thermo Electron Corporation | |
| Biosafety hood (Sterilgard III Advance) | The Baker Company | |
| Centrifuge (5702 R) | Eppendorf |
References
- Takahashi, K., Tanabe, K., et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 131, 861-872 (2007).
- Thomson, J. A., Itskovitz-Eldor, J., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282, 1145-1147 (1998).
- Yu, J., Vodyanik, M. A., et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science. 318, 1917-1920 (2007).
- Jessell, T. M. Neuronal specification in the spinal cord: inductive signals and transcriptional codes. Nat. Rev. Genet. 1, 20-29 (1038).
- Wilson, S. I., Edlund, T. Neural induction: toward a unifying mechanism. Nat. Neurosci. 4, 1161-1168 (2001).
- Reubinoff, B. E., Itsykson, P., et al. Neural progenitors from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 19, 1134-1140 (2001).
- Zhang, S. C., Wernig, M., Duncan, I. D., Brustle, O., Thomson, J. A. In vitro differentiation of transplantable neural precursors from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 19, 1129-1133 (2001).
- Hu, B. Y., Weick, J. P., et al. Neural differentiation of human induced pluripotent stem cells follows developmental principles but with variable potency. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4335-4340 (2010).
- Singh Roy, N., Nakano, T., et al. Enhancer-specified GFP-based FACS purification of human spinal motor neurons from embryonic stem cells. Exp. Neurol. 196, 224-234 (2005).
- Lee, H., Shamy, G. A., et al. Directed differentiation and transplantation of human embryonic stem cell-derived motoneurons. Stem Cells. 25, 1931-1939 (2007).
- Boulting, G. L., Kiskinis, E., et al. A functionally characterized test set of human induced pluripotent stem cells. Nat. Biotechnol. 29, 279-286 (2011).
- Li, X. J., Du, Z. W., et al. Specification of motoneurons from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 23, 215-221 (2005).
- Perrier, A. L., Tabar, V., et al. Derivation of midbrain dopamine neurons from human embryonic stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 12543-12548 (2004).
- Roy, N. S., Cleren, C., et al. Functional engraftment of human ES cell-derived dopaminergic neurons enriched by coculture with telomerase-immortalized midbrain astrocytes. Nat Med. 12, 1259-1268 (2006).
- Yan, Y., Yang, D., et al. Directed differentiation of dopaminergic neuronal subtypes from human embryonic stem cells. Stem Cells. 23, 781-790 (2005).
- Meyer, J. S., Shearer, R. L., et al. Modeling early retinal development with human embryonic and induced pluripotent stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 16698-16703 (2009).
- Osakada, F., Ikeda, H., et al. Toward the generation of rod and cone photoreceptors from mouse, monkey and human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 26, 215-224 (2008).
- Carpenter, M. K., Inokuma, M. S., et al. Enrichment of neurons and neural precursors from human embryonic stem cells. Exp. Neurol. 172, 383-397 (2001).
- Chambers, S. M., Fasano, C. A., et al. Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD signaling. Nat. Biotechnol. 27, 275-280 (2009).
- Chambers, S. M., Qi, Y., et al. Combined small-molecule inhibition accelerates developmental timing and converts human pluripotent stem cells into nociceptors. Nat. Biotechnol. 30, 715-720 (2012).
- Kawasaki, H., Mizuseki, K., et al. Induction of midbrain dopaminergic neurons from ES cells by stromal cell-derived inducing activity. Neuron. 28, 31-40 (2000).
- Rubenstein, J. L., Beachy, P. A. Patterning of the embryonic forebrain. Curr. Opin. Neurobiol. 8, 18-26 (1998).
- Hevner, R. F., Hodge, R. D., Daza, R. A., Englund, C. Transcription factors in glutamatergic neurogenesis: conserved programs in neocortex, cerebellum, and adult hippocampus. Neurosci. Res. 55, 223-233 (2006).
- Watanabe, K., Kamiya, D., et al. Directed differentiation of telencephalic precursors from embryonic stem cells. Nat. Neurosci. 8, 288-296 (2005).
- Watanabe, K., Ueno, M., et al. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 25, 681-686 (2007).
- Pankratz, M. T., Li, X. J., et al. Directed neural differentiation of human embryonic stem cells via an obligated primitive anterior stage. Stem Cells. 25, 1511-1520 (2007).
- Li, X. J., Zhang, X., et al. Coordination of sonic hedgehog and Wnt signaling determines ventral and dorsal telencephalic neuron types from human embryonic stem cells. Development. 136, 4055-4063 (2009).
- Zeng, H., Guo, M., et al. Specification of region-specific neurons including forebrain glutamatergic neurons from human induced pluripotent stem cells. PLoS One. 5, e11853 (2010).
- Kim, D. S., Lee, J. S., et al. Robust enhancement of neural differentiation from human ES and iPS cells regardless of their innate difference in differentiation propensity. Stem Cell Rev. 6, 270-281 (2010).
- Zhang, X., Huang, C. T., et al. Pax6 is a human neuroectoderm cell fate determinant. Cell Stem Cell. 7, 90-100 (2010).
- Stern, C. D. Initial patterning of the central nervous system: how many organizers. Nat. Rev. Neurosci. 2, 92-98 (2001).
- Ma, L., Hu, B., et al. Human embryonic stem cell-derived GABA neurons correct locomotion deficits in quinolinic acid-lesioned mice. Cell Stem Cell. 10, 455-464 (2012).
- Li, W., Wei, W., et al. Generation of rat and human induced pluripotent stem cells by combining genetic reprogramming and chemical inhibitors. Cell Stem Cell. 4, 16-19 (2009).
- Lowry, W. E., Richter, L., et al. Generation of human induced pluripotent stem cells from dermal fibroblasts. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 2883-2888 (2008).
- Dimos, J. T., Rodolfa, K. T., et al. Induced pluripotent stem cells generated from patients with ALS can be differentiated into motor neurons. Science. 321, 1218-1221 (2008).
- Ebert, A. D., Yu, J., et al. Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature. 457, 277-280 (2009).
- Lee, G., Papapetrou, E. P., et al. Modelling pathogenesis and treatment of familial dysautonomia using patient-specific iPSCs. Nature. 461, 402-406 (2009).
- Park, I. H., Arora, N., et al. Disease-specific induced pluripotent stem cells. Cell. 134, 877-886 (2008).
- Chamberlain, S. J., Chen, P. F., et al. Induced pluripotent stem cell models of the genomic imprinting disorders Angelman and Prader-Willi syndromes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17668-17673 (2010).
- Kiskinis, E., Eggan, K. Progress toward the clinical application of patient-specific pluripotent stem cells. J. Clin. Invest. 120, 51-59 (2010).
- Koch, P., Tamboli, I. Y., et al. Presenilin-1 L166P mutant human pluripotent stem cell-derived neurons exhibit partial loss of gamma-secretase activity in endogenous amyloid-beta generation. Am. J. Pathol. 180, 2404-2416 (2012).
- Walsh, R. M., Hochedlinger, K. Modeling Rett syndrome with stem cells. Cell. 143, 499-500 (2010).
- Egawa, N., Kitaoka, S., et al. Drug Screening for ALS Using Patient-Specific Induced Pluripotent Stem Cells. Sci. Transl. Med. 4, (2012).
- Kola, I., Landis, J. Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates. Nature Reviews Drug Discovery. 3, 711-716 (2004).
