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.
古い成長の避けられない結果が機能しているために組織や臓器の減少能力です。成体幹細胞は、幹細胞はまた、それらの生物学的挙動の減少を経験し、年齢を生物がしかしとして、組織の恒常性および器官の機能を維持するために不可欠である。これは、腸上皮のような高い代謝率を有する組織、特に有害である。老化した幹細胞の顕著な特徴は、ゲノム損傷、障害修復機構、障害、細胞周期の調節及び(1-3で概説)正常な幹細胞の挙動に影響を与える全てが誤制御シグナル伝達経路が挙げられる。特定のシグナル伝達経路を操作するか、特定の遺伝子をノックダウンすることにより、我々は、調節および正常な幹細胞の挙動を維持における役割の洞察を得た。これらの実験のほとんどは、候補分子アプローチであるため、我々は、中に幹細胞で起こる内因性分子の変化についてほとんど知識を持っている高齢化。この問題にアプローチする一つの方法は、その発現プロファイル熟成中に著しく変化する分子を同定するために、古い幹細胞に対する若いのトランスクリプトームを比較することである。残念ながら、生物学的および技術的な課題は、これまでのところ、このアプローチに関する当社の進展を妨げている。
キイロショウジョウバエは、(4に概説される)の表現型を老化寿命が短い(約60〜70日)や展示があるので老化を研究するのに非常に適したモデル生物である。また、 ショウジョウバエの老化プロセスは、温度によって加速させることができる。 29℃でのハエを維持する場合、腸組織における高齢表現型は、既に15日5後に観察することができる。さらに、 ショウジョウバエは、遺伝子操作の過多のために適している。特に、 ショウジョウバエ中腸は異なるシグナル伝達経路とに環境問題の影響を研究するための優れたモデル系として浮上している(6-10に見直し)高齢化の際、腸管幹細胞(ISCS)の生物学。 ショウジョウバエ腸上皮は、高い離職率を有しており、男性の11で隔週女性で約月に一度更新されます。 ショウジョウバエの中腸内に存在するのISCは分裂と自己リニューアルISCとenteroblast(EB)12,13と呼ばれる有糸分裂後前駆細胞を生成する能力を有する。 EBは、吸収腸細胞または分泌腸内分泌細胞のどちらかに分化する。今日まで、明確にISCをラベルのみマーカーの組み合わせは、転写因子エスカルゴ(ESG)およびNotchリガンドデルタにD1 14の表現である。しかし、これは若くて健康腸にも当てはまる。高齢化の際、中腸上皮はISC増殖15-17の増加によって特徴づけられる。さらに、異常なNotchシグナル伝達は、ISCの娘細胞の運命決定を破壊としたEB 15のmisdifferentiationを誘導する。これにより、経年腸内真正幹細胞を同定するには不十分のDI表現をレンダリングする、Notchシグナルと共発現ESGとのDIに対して活性である細胞の蓄積をもたらす。真のISCを特定することが困難で、今まで高齢化のISCにおいて内因性の変化を検討する能力を妨げています。
私たちは、のISCとEBにおけるGFP発現のレベルは本質的に異なるものであり、高齢化を通じて別のままであるESG -Gal4、UAS-GFPトランスジェニックフライラインを利用することによって、この問題に取り組んしている。同様のアプローチは、幼虫の神経芽細胞およびニューロン18,19の単離のために記載されている。老いも若きも、ESG -Gal4、UAS-GFPハエの中腸を切開し、単一細胞に解離させた。次いで、細胞を、蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)を使用して、GFP陽性細胞を選別した。興味深いことに、ソートされたGFP陽性Cのエルは、GFPの蛍光強度(GFPおよびGFP 高い低 )に基づいて2つの別個のピークに分配。さらに、また、セルサイズと相関つのピークにおけるGFP陽性細胞の分布:低いGFP強度を示した細胞は小さく、高いGFP強度を有する細胞に対し、より少ない粒状大きく、より粒状であった。この観察は、小さいのISCは、GFP強度に基づいて、FACSを使用して、適切な前方散乱(FSC)および側方散乱(SSC)の設定を選択する大きなEBから区別することができることを示唆した。興味深いことに、2つのピークがはっきりと老化中に分離されたままであった。また、2つのピークの比は、エージング中腸の上記の特徴を反映した形で変更:大の数は、時間をかけてEBを増大するmisdifferentiatedすなわちこと。これらの知見から、我々は適切なFACSパラメータ設定を使用して、GFP陽性細胞を選別することによって、我々は任意の時刻dでのISCとのEBを濃縮することができると結論uring高齢化。
要約すると、我々はあらゆる年齢のショウジョウバエの中腸から、2つの異なる細胞集団、のISCとEBSの充実や、次世代シーケンシングなどのさらなる分析のためにこれらの細胞を単離する研究者を可能にし、FACS戦略を紹介する。この強力な方法は、幹細胞又は前駆細胞の濃縮集団で高齢化に固有の内因性の分子機構を研究することができます。これらの研究から得られたデータは、間違いなく種間老化重要である保存された分子の同定を容易にする。
提示プロトコルは、その後にそのような次世代シーケンシングのようなさらなる分子分析のために使用することができ、老若男女大人のショウジョウバエの中腸からのISCを分離する方法を説明している。 ESG -Gal4からのGFP陽性細胞集団のFACソーティングは、UAS-GFPフライラインは、既にいくつかのグループ21,22によって達成された。しかし、今までGFP陽性細胞の二つの別個のピークの存在はいずれか見落とさまたは過小評価されている。我々は、この分離は、細胞型(のISCとのEB)の2つの異なる集団を表していないだけでなく、GFP陽性細胞の2つのピークが老化中に明確に別個とどまることを示している。この観察結果は、関連性の高いと熟成中幹細胞または前駆細胞を研究に興味を持って研究者に貴重なものです。古い中腸からのISCの単離は、熟成中腸でのISCを同定するための分子的マーカーの組み合わせが存在しないという事実によって妨げられてきた。唯一のマーカーUnambiguouslyのISCは、中腸12,13で唯一の分裂細胞であるため、リン酸化histone3(PH3)である旧中腸内のISCを識別します。しかし、PH3は、任意の所与の時点で、幹の分裂細胞の数は、その後の分析のためのISCのまともな量を得るためには低すぎるのでのISCを単離するための不適当なマーカーである。フライラインESG -Gal4、UAS-GFPは、ISC機能、維持および分化を研究研究者によって使用される最も一般的なフライラインです。のISC恒常性の分子調節に関する我々の現在の知識は、特定の分子やシグナル伝達経路が操作されている中での研究に基づいています(7でレビュー)。したがって、我々はまだ高齢化中に発生する内因性分子の変化についての知識が不足している。本明細書中に記載される方法は、このギャップを閉じ、のISC老化中の任意の時点で、成体中腸からその大きさ、粒度及びGFP強度に基づいて単離することができるという事実に基づいている。
同時に私たちは信頼性のある結果のために重要であることが次のステップを発見したこの方法を確立し、最適化する。約200ガッツはFACのソートにのISCの良い量を得るために解剖される必要がある。解剖の速度は非常に重要であり、個々の練習に依存します。訓練を受けた個人は、20〜30分以内に40根性を分析することができます。 GFPはまた、ESG -Gal4でマルピーギ細管で表現されているので、UAS-GFPフライライン、それは完全に中腸からマルピーギ細管を除去することが不可欠である。解剖中腸組織の劣化を回避し、組織内のRNアーゼ活性を低下させるために涼しい環境に保持されなければならない。したがって、解剖中腸は20〜30分の最大後冷1×PBS / 1%BSA溶液を含むマイクロ遠心チューブに解剖皿に移し、氷上に保持しなければならない。しかし、解剖中腸をトリプシンで組織解離を開始する前に、以上の2時間氷上に放置してはならない。最もefficiENTアプローチはその後、これらの2時間内で可能なハエのような多くのバッチを分析トリプシンは、これらのバッチのためにダイジェストを開始することです。以上の中腸が必要な場合は、トリプシン消化物のインキュベーション時間の間に解剖することができる。
トリプシンは、非常に強力な酵素であり、細胞に有害な影響を与える可能性がありますが、我々はまだ、その後のFACのソートのための十分な生活、健康な細胞を得た。無傷の細胞の単離を可能にする我々の手順の重要なステップは、解離した細胞を、トリプシン溶液を30分毎から除去されることである。解剖中腸を室温で溶液を含むトリプシンで2½時間インキュベートされた場合、我々は死んだ、SYTOX陽性細胞が20〜30%の増加を観察した。これは、我々が使用するトリプシン溶液はEDTAが含まれていることが指摘されるべきである。 EDTAの存在は、おそらく、細胞外マトリックス分子の適切な機能に必要なカルシウムおよびマグネシウムイオンをキレート化することによって、組織の崩壊を促進する。 </P>
老いも若きも根性から最も重要なステップを正常にソートのISCは、FACSと説明したコントロールを使用して、特定のソート階層を以下のゲーティングパラメータの適切な初期設定です。私たちは、ARIA IIフローサイトメーター(FACSDivaソフト)のソートFACを行った。それは、器具が前のレーザを暖めるために選別に少なくとも1時間になっていることが重要である。のISCのFACの仕分けを初めて行う際に注目すべきは、並べ替えのための補償のためのパラメータは、上記のコントロールを使用して設定する必要があります:(1)SYTOXを添加することなく、野生型からの細胞( 例えば1118年 W)ショウジョウバエ中腸解離 – このパラメータ(ステップ4.4.1)を設定すると、彼らの自己蛍光に基づいて細胞を選別防ぐ。このパラメータを設定する- (2)SYTOXとショウジョウバエの中腸が追加( 例えば1118ワット )野生型から細胞を解離した(ステップ4.4.2)細胞(死細胞は、高い自己蛍光を有し、ソートGFP陽性細胞を汚染する可能性がある)生きているから死ん分離することができ。 (3)ESG -Gal4の中腸から細胞を解離し、SYTOXなしUAS-GFPフライライン-このパラメータを設定する(ステップ4.4.3)は、すべてのGFP陽性細胞が散布図内にプロットされることを保証します。これらのパラメータが正しく設定されていない場合は、ソートされた細胞集団は、おそらく、死細胞および残骸( 図5B、C)が含まれ、多くのGFP陽性細胞( 図5D)失われ、GFP陽性細胞のための2つの別個のピークとしてヒストグラムプロットで見られる( 図2E及び図3E)は検出されません。 FACSおよびゲーティングパラメータが設定されたら、楽器を校正とのESG -GAL4、UAS-GFPフライラインから細胞を選別する準備ができている。これらのパラメータは保存することができますので、すべての将来は、ESG -GAL4、UAS-からのISCとEBSのセッションをソートGFPのフライラインは、ステップ4.5から開始することができます。 「純度」モードを選択し、双方向の純度を行うことがソートソートされた細胞の数を減少させるが、それは高いストリンジェンシーの選別(ステップ4.6および図4B、C)が可能になる。注目すべきは、死細胞を標識するためにSYTOXの代わりにヨウ化プロピジウムを使用する利点は、低スピルオーバーがスピルオーバーを補償することを容易にFITC(GFP)チャンネルに存在することである。
のISCとEBSの濃縮する我々の方法は、それぞれ、異なるGFP発現レベルに応じて細胞を選別に基づいています。それはmisdifferentiatedのEBエージング中にも低いレベルでGFPを発現するのISCと誤認される可能性があることがあります。ソートされた細胞はまた、大きさや粒度が異なっているのでしかし、我々は我々の仕分け戦略はのISCとEBを濃縮するために、この日付に最も適していると考えています。また、それは、ISCの同一性を保持するエージング中腸の細胞は小核を有することが知られている15。ソートされた細胞のアイデンティティについての詳細明瞭さを得るためには、ESG -GAL4、UAS-GFPとNotchシグナル伝達レポーター導入遺伝子を運ぶトランスジェニックフライラインから細胞を選別できた。ノッチのみのEB 12,13において活性であることが示されているので、のISCは、EBを、ノッチレポーターについて陽性になるのに対し、ノッチレポーターについて陰性であろう若い腸から単離された。しかし、高齢化Notchシグナルの間、中腸組織に異常になる。したがって、のISCとしたEBを区別するように設定この実験は確かに、より信頼性があるかどうかをテストする必要がある古い中腸から分離。
我々はすでに老いも若きも中腸からのISCの比較トランスクリプトーム解析のためにこのアプローチを採用し、高齢化の際に示差的に調節されている多くの要因を特定した(未発表。observ。)。さらに、この方法は、ISCにしたEBの間の遺伝子発現の差を分析することを可能にする。このような調査sは、細胞が分化過程に入ると、発生初期の分子的変化への洞察を提供するであろう。また、高齢化とその後の分析中のEBの分離は、加齢性misdifferentiationの分子変化に光を当てるします。さらに、この方法は、遺伝子機能を研究するために、ショウジョウバエで使用される他の遺伝子ツールと組み合わせることができる。要約すると、この方法では、高齢化の際に分子特性とのISCとEBの変化を調査するための公平なアプローチを提供しています。これは成人の幹細胞および前駆細胞の老化メカニズムの探査を促進する貴重なツールです。
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 |