Understanding the endogenous molecular changes in adult stem cells during aging requires isolating the cells of interest. The method described here presents a simple and robust approach to enrich for and isolate Drosophila intestinal stem cells and the enteroblast progenitor cells by FACS at any time point during aging.
Aging tissue is characterized by a continuous decline in functional ability. Adult stem cells are crucial in maintaining tissue homeostasis particularly in tissues that have a high turnover rate such as the intestinal epithelium. However, adult stem cells are also subject to aging processes and the concomitant decline in function. The Drosophila midgut has emerged as an ideal model system to study molecular mechanisms that interfere with the intestinal stem cells’ (ISCs) ability to function in tissue homeostasis. Although adult ISCs can be easily identified and isolated from midguts of young flies, it has been a major challenge to study endogenous molecular changes of ISCs during aging. This is due to the lack of a combination of molecular markers suitable to isolate ISCs from aged intestines. Here we propose a method that allows for successful dissociation of midgut tissue into living cells that can subsequently be separated into distinct populations by FACS. By using dissociated cells from the esg-Gal4, UAS-GFP fly line, in which both ISCs and the enteroblast (EB) progenitor cells express GFP, two populations of cells are distinguished based on different GFP intensities. These differences in GFP expression correlate with differences in cell size and granularity and represent enriched populations of ISCs and EBs. Intriguingly, the two GFP-positive cell populations remain distinctly separated during aging, presenting a novel technique for identifying and isolating cell populations enriched for either ISCs or EBs at any time point during aging. The further analysis, for example transcriptome analysis, of these particular cell populations at various time points during aging is now possible and this will facilitate the examination of endogenous molecular changes that occur in these cells during aging.
老去的一个不可避免的后果是组织和器官,以保持工作的能力下降。成年干细胞是用于维持组织稳态和器官的功能必不可少的,然而作为生物体年龄,干细胞也经历在其生物学行为的下降。这是特别有害的组织具有高周转率,如肠上皮。老化的干细胞的标志,包括基因组损伤,受损修复机制,受损的细胞周期调控和misregulated信号通路,所有这些都影响正常干细胞的行为(在1-3中综述)。通过操纵特定的信号转导通路或撞倒的特定基因,我们在规范和维护正常干细胞的行为获得洞察他们的角色。由于大多数这些实验是候选分子的方法,我们对过程中发生的在干细胞中的内源性分子变化知之甚少老化。处理这个问题的一种方法是比较年轻的转录与旧的干细胞,以确定分子的表达谱的老化过程中显著变化。不幸的是,生物和技术挑战阻碍了我们对这种做法至今进展。
果蝇是高度合适的模式生物,研究老化,因为它具有很短的寿命(约60-70天),并表现出衰老表现型(以4中综述)。此外,在果蝇的老化过程可以通过温度来加速。当保持苍蝇在29°C,在肠组织的老年型已经可以在15天后观察到5。此外, 果蝇是适合的大量遗传操作的。特别是,在果蝇中肠已成为一个很好的模型系统,研究不同的信号通路,并在环境挑战的影响肠道干细胞(ISCS)的老化过程的生物学(6-10综述)。 果蝇肠上皮具有 较高的周转率,并每月更新每两周在女性和大约一次的男性11。居住在果蝇中肠ISC的具有分裂并产生一个自我更新的ISC和一个称为enteroblast(EB)12,13有丝分裂后前体细胞的能力。在EB分化为任一的吸收性肠细胞或分泌肠内分泌细胞。在此日期,唯一的标记物的组合,明确标记的ISC是转录因子田螺(ESG)和Notch配体德尔塔(DL)14的表达。然而,这仅持有如此年轻和健康的肠道。期间老化,中肠上皮的特征在于增加的ISC增殖15-17。此外,异常Notch信号扰乱的ISC子细胞的命运决定并诱导胚15 misdifferentiation。这导致细胞,激活Notch信号和共表达ESG和D1的积累,从而使去离子表达不足以识别真正的干细胞在老化中肠。在确定真正的ISC的困难阻碍了研究内生变化,老龄化ISC的到现在为止的能力。
我们已通过采取ESG -Gal4,UAS-GFP转基因的飞线,其中在ISC的和胚的GFP表达水平是本质上的不同,并保持在整个老化不同的优点解决这个问题。类似的方法已被描述为幼虫神经母细胞和神经元18,19的隔离。年轻人和老年人ESG -Gal4,UAS-GFP苍蝇肠解剖和分离成单个细胞。然后将细胞进行排序,使用荧光激活细胞分选(FACS)的GFP阳性细胞。有趣的是,排序GFP阳性ÇELLS分布到基于GFP荧光强度两个不同的峰(GFP 高和GFP 低 )。此外,GFP阳性细胞中的两个峰也与细胞大小分布:即显示出低的GFP强度将细胞小,而细胞具有高的GFP强度较少的颗粒是较大的和更精细。该观察结果表明,较小的ISC的可能从使用基于GFP的强度的FACS和选择适当的前向散射(FSC)和侧向散射(SSC)设置较大的EB进行区分。有趣的是,两峰仍然陈酿过程中明确分开。此外,两峰的比率的方式,反映老化肠的上述标志发生变化:即大的数量,misdifferentiated的EB随时间增加。从这些研究结果,我们得出结论,通过使用适当的FACS参数设置GFP阳性细胞分选,我们可以在任何时间点d富集ISC的和胚uring老化。
综上所述,我们引入了FACS战略,使研究人员能够充实了两个不同的细胞群,ISC的和EBS,从任何年龄的果蝇肠和隔离这些细胞进行进一步的分析,如新一代测序。这种强大的方法允许研究所固有的在干细胞或祖细胞的富集人口老龄化的内源性分子机制。从这些研究中获得的数据,无疑会促进保守分子,在跨物种老化显著的鉴定。
所提出的协议描述了一种方法,从老少成年果蝇中肠,随后其可用于进一步的分子分析如下一代测序隔离ISC的。从ESG -Gal4 GFP阳性细胞群的FAC分选,UAS-GFP飞线已经由若干组21,22来实现的。然而,到现在为止的GFP阳性细胞的两个不同的峰的存在已被要么忽视或低估。我们表明,这种分离不仅代表的细胞类型(ISCS和EBS)的两个不同的群体,也表明GFP阳性细胞的两个峰留在老化过程中明显地分开的。这种看法是高度相关的,有价值的研究人员感兴趣的老化过程研究的干细胞或祖细胞。从旧肠孤立综合监控系统已经阻碍了事实,没有分子标记结合,以确定ISC的中老年人肠。唯一的标志,美nambiguously标识的旧肠ISC的是磷酸histone3(PH3),因为ISC的是唯一的分裂细胞在肠12,13。然而,PH 3是不合适的标记物以分离ISC的自除以干细胞在任何给定时间点的数目太低,以便获得ISC的体面量用于随后的分析。飞线ESG -Gal4,UAS-GFP是一种用于研究人员谁研究ISC功能,维护和分化中最常见的飞线。我们对ISC的动态平衡的分子调节的现有知识是基于研究中,特定的分子和信号通路已被操纵(在7中综述)。因此,我们仍然缺乏知识老化过程中发生的内源性分子变化。在本文中所描述的方法封闭该间隙,并基于这样的事实,ISC的可以基于从在老化过程中的任何时间点成人肠它们的大小,粒度和GFP强度进行分离。
而建立和优化该方法,我们已经发现以下的步骤是一个可靠的结果是至关重要的。约200胆需要为了获得ISC的量好为FAC分选被解剖。夹层的速度是至关重要的,取决于个人的做法。一个训练有素的人可以在20-30分钟剖析40胆量。由于GFP也表示在ESG -Gal4的马氏管,UAS-GFP飞线,就必须从肠完全删除马氏管。解剖肠必须保存在阴凉环境,避免组织退化和减少组织RNA酶的活性。因此,解剖肠必须从解剖盘转移到含有最多20-30分钟后冷的1×PBS / 1%BSA溶液的微量离心管并保持在冰上。然而,解剖肠不应启动组织离解,用胰蛋白酶之前置于冰上超过2小时。最effici耳鼻喉科的做法是解剖苍蝇尽可能多批次内的这2个小时,然后开始胰蛋白酶消化这些批次。如果需要更多的肠,它们可以在胰蛋白酶消化的孵育时间进行解剖。
尽管胰蛋白酶是一种非常有效的酶,并可能对细胞有害的影响,但我们仍然获得足够的生活,健康的细胞用于后续FAC分选。我们的程序的关键步骤,其允许完整细胞的分离是离解的细胞从胰蛋白酶溶液,每30分钟除去。如果解剖肠孵育2个半小时,含在室温下的解决方案胰蛋白酶,我们观察到死,SYTOX阳性细胞增加了20-30%。应当指出,我们使用了胰蛋白酶溶液含有EDTA中。 EDTA存在可能是通过螯合所需的细胞外基质分子的正常功能的钙离子和镁离子促进组织崩解。 </P>
最关键的步骤,以成功地排序ISC的从老少胆是FACS和使用所描述的控制和跟随一个特定的排序等级门控参数的适当的初始设置。我们进行了FAC上ARIA II流式细胞仪(FACSDiva软件)排序。重要的是,在仪器被至少一小时接通之前分拣热身的激光器。值得注意的是,当第一次被执行的ISC的FAC分选,所述参数用于排序和补偿需要被使用上述控制设置:(1)从野生型解离的细胞( 例如,瓦特1118)果蝇肠不添加SYTOX的 – 设置此参数(步骤4.4.1)防止基于其自身荧光分拣细胞; (2)分离的细胞从野生型( 如W 1118),果蝇肠与SYTOX加-设置此参数(步骤4.4.2)允许从活细胞中分离死(死细胞具有高的自体荧光和会污染排序GFP阳性细胞); (3)从ESG -Gal4的肠细胞分离,UAS-GFP飞线无SYTOX -设置此参数(步骤4.4.3),确保所有的GFP阳性细胞散点图中绘制。如果这些参数设置不正确,将分选的细胞群体将最有可能含有的死细胞和碎片( 图5B,C)中,许多GFP阳性细胞将被错过( 图5D)和两个不同的峰为GFP阳性细胞作为见于直方图( 图2E和图3E)将不会被检测到。一旦FACS和门控参数设置,仪器校准并准备进行排序从ESG -GAL4,UAS-GFP飞线细胞。由于这些参数可以保存,将来所有的ESG -GAL4,UAS-排序为ISC的和EBS会议GFP飞线从4.5步开始。虽然选择了“纯度”模式和执行双向纯度排序降低细胞排序的数量,它允许一个较高排序严紧(步骤4.6和图4B,C)。值得注意的是,使用代替碘化SYTOX标记死细胞的优点是,仅存在低的溢出到FITC(绿色荧光蛋白)的信道,这使得它易于以补偿外溢。
我们的富集ISC的和胚的方法,分别是基于根据不同的GFP表达水平排序的单元格。这可能是因为老化misdifferentiated的EB也表达GFP在较低的水平,并可能被误认为ISC的期间。然而,由于分选的细胞也有不同的尺寸和粒度,我们相信,我们的排序策略是该日期最合适的富集ISC的和胚。此外,已知的是在细胞老化中肠保持ISC身份具有小核15。以获得对分选的细胞的身份更加清楚,人们可以进行排序从转基因飞线承载ESG -GAL4,UAS-GFP和Notch信号传导记者转基因的细胞。由于陷波已被证明是有效只在胚12,13,ISC的从年轻肠分离将是负的缺口记者,而胚将利好所述Notch报道。然而,在老化Notch信号变为异常的肠组织。因此,它需要被测试的这个实验设置是否确实是更可靠的ISC的和EBS区分从旧肠中分离。
我们已经采用这种方法来ISC的比较转录组分析,从年轻人和老年人肠和老化过程中发现了一些差异调节因子(unpub。observ)。此外,该方法允许用于分析ISC的与胚之间的基因表达差异。这种调查会有可能提供深入了解作为细胞进入分化过程中发生的最初的分子变化。此外,EB的过程中老化和后续分析隔离将揭示年龄诱导misdifferentiation的分子变化的光。此外,该方法可以与用于在果蝇来研究基因功能的其它遗传工具相结合。总之,这种方法提供了一个不带偏见的办法衰老过程中,调查的分子特征和ISC的和EBS的变化。这是一个有价值的工具,将促进衰老机制在成体干细胞和祖细胞的探索。
The authors have nothing to disclose.
We are grateful to Gabriele Allies for excellent technical assistance. We thank the University Ulm Medical Faculty for the use of the FACS Core Facility and the Institut für Molekulare und Zelluläre Anatomie for using the confocal microscope. We thank S. Hayashi for the esg-Gal4, UAS-GFP fly line. This project is funded by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF, Forschungskern SyStaR). A.T. is supported by SFB 1074 (Project A2). A.T. and G.A. are supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, FE578/3-1). H.M.T. is a member of the International Graduate School in Molecular Medicine Ulm (GSC 270).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Forceps: Dumont, Inox Biologie #5 | Fine Science Tools | 11252-20 | |
SefarNitex 03-150um/38 (35 µm nylon mesh) | Sefar | 3A03-0150-102-00 | |
Falcon 5ml Round Bottom Polystyrene Test Tube with Cell Strainer Snap Cap | Corning | 352235 | |
Polymax 1040 | Heidolph | 543-42210-00 | |
Albumin from bovine serum (BSA) | Sigma | A4503-50G | |
0.5% Trypsin-EDTA | Invitrogen | 15400-054 | Trypsin obtained from a different company most likely has a different activity and the duration of the trypsin digest has to be adjusted accordingly. |
SYTOX Blue Dead Cell Stain for flow cytometry | Life Technologies | S34857 | |
RNAlater Stabilization Solution | Life Technologies | AM7023 | other solutions, e.g. Trizol can be used for subsequent RNA isolation |
FACSAria II cell sorter | Becton Dickinson | Turn on one hour prior to sorting |