Neurale stamcelreactivatie in gekweekte Drosophila-hersenexplantaten
Summary
Er is een methode vastgesteld om rustige neurale stamcellen in gekweekte Drosophila-hersenexplantaten te reactiveren. Met behulp van deze methode kan de rol van systemische signalen worden losgekoppeld van weefselintrinsieke signalen in de regulatie van neurale stamcelrust, in- en uitgang.
Abstract
Neurale stamcellen (NSC’s) hebben het vermogen om zich te vermenigvuldigen, te differentiëren, apoptose te ondergaan en zelfs rust in en uit te gaan. Veel van deze processen worden gecontroleerd door het complexe samenspel tussen NSC intrinsieke genetische programma’s met NSC extrinsieke factoren, lokaal en systemisch. In het genetische modelorganisme, Drosophila melanogaster, schakelen NSC’s, bekend als neuroblasten (NBs), over van rust naar proliferatie tijdens de embryonale naar larvale overgang. Gedurende deze tijd komen larven uit hun eierschalen en beginnen te kruipen, op zoek naar voedingsstoffen in de voeding. Als reactie op diervoeding produceert het vetlichaam, een endocriene orgaan met lipideopslagcapaciteit, een signaal, dat systemisch wordt vrijgegeven in de circulerende hemolymfe. Als reactie op het van het vetlichaam afgeleide signaal (FBDS) worden Drosophila insuline-achtige peptiden (Dilps) geproduceerd en vrijgegeven uit neurosecretoire neuronen en glia in de hersenen, wat leidt tot downstream activering van PI3-kinase groeisignalering in NBs en hun gliale en tracheale niche. Hoewel dit het huidige model is voor hoe NB’s overschakelen van rust naar proliferatie, blijft de aard van de extrinsieke cue van FBDS ongrijpbaar. Om beter te begrijpen hoe NB extrinsieke systemische signalen de exit van rust reguleren, werd een methode ontwikkeld om vroege larvale hersenen in vitro te kweken voordat dieren zich voeden. Met deze methode kunnen exogene factoren worden geleverd aan de cultuurmedia en NB exit uit rusttest. We ontdekten dat exogene insuline voldoende is om NBs te reactiveren vanaf rust in explantaten van de hele hersenen. Omdat deze methode zeer geschikt is voor grootschalige schermen, streven we ernaar om extra extrinsieke signalen te identificeren die NB-rust versus proliferatiebeslissingen reguleren. Omdat de genen en routes die NSC-proliferatiebeslissingen reguleren evolutionair geconserveerd zijn, kunnen de resultaten van deze test inzicht geven in het verbeteren van regeneratieve therapieën in de kliniek.
Introduction
Stamcellen zijn van groot belang vanwege hun potentieel voor gebruik in regeneratieve geneeskunde 1,2. Veel dieren, vooral die met een lang leven, onderhouden stamcellen in hun volwassen weefsels. Deze residente stamcellen functioneren om weefselhomeostase te behouden en worden gebruikt voor reparatie na lichamelijk letsel of ziekte 3,4. De meeste stamcellen bij volwassen dieren zijn rustig, een relatief slapende toestand die wordt gekenmerkt door celcyclusstop en inactivatie van groeisignalering5. Als reactie op extrinsieke signalen verlaten stamcellen de rust, gaan ze de celcyclus in en beginnen ze dochter nakomelingen te genereren die specifiek zijn voor hun weefseltype. Om bijvoorbeeld een effectieve immuunrespons op te zetten, induceren antigeen-presenterende cellen rustige naïeve T-cellen om de celcyclus binnen te gaan en klonaal uit te breiden6. Als reactie op schade aan de skeletspieren komen spiersatellietstamcellen in de celcyclus en genereren dochtermyoblasten om beschadigde myofibrillen te vervangen 5,7. Hoewel het duidelijk is dat rustige stamcellen reageren op extrinsieke signalen, blijft in veel gevallen de aard van de extrinsieke cue onduidelijk, evenals het mechanisme van cue-geïnduceerde stamcelactivering. Het verkrijgen van een beter begrip van hoe rustige stamcellen reageren op extrinsieke signalen en de celcyclus ingaan, zal helpen bij de ontwikkeling van betere stamceltherapieën in de kliniek en de wetenschappelijke kennis vergroten.
Al tientallen jaren worden modelorganismen gebruikt om de genen en celsignaleringsroutes bloot te leggen die de proliferatie van stamcellen tijdens de ontwikkeling en op volwassen leeftijd reguleren. In Drosophila delen neurale stamcellen (NSC’s), bekend als neuroblasten (NBs), zich tijdens de ontwikkeling om alle neuronen en glia te genereren die uiteindelijk integreren en het neurale circuit vormen dat nodig is voor de hersenfunctie 8,9. Net als andere stamcellen delen NB’s zich asymmetrisch om zichzelf te vernieuwen en, in sommige gevallen, symmetrisch om de stamcelpool uit te breiden. NBs worden gespecificeerd tijdens embryogenese en de meeste komen tegen het einde in rust, samenvallend met afnemende maternale voedingsvoorraden (figuur 1). Nadat de embryogenese is voltooid, komen de larven uit en beginnen ze zich te voeden. Als reactie op diervoeding reactiveren NB’s uit rust en hervatten celdelingen 10,11,12,13,14,15,16. Omdat het Drosophila CNS relatief eenvoudig is en omdat NBs op bepaalde tijden rust in- en uitstappen, blijkt het gebruik van Drosophila om de regulatie van rust, in- en uitgang te onderzoeken, ideaal.
Figuur 1: Relatieve proliferatie van CB NBs (centrale hersen neuroblasten, rood) en MB NBs (mushroom body neuroblasts, blauw) over ontwikkelingstijd. Aan het einde van de embryogenese stoppen de meeste NB’s (rode lijn) met proliferatie en komen ze in rust. De rust gaat door totdat vers uitgekomen larven hun eerste volledige maaltijd consumeren. De tijdsfocuspunten voor deze methodologie worden aangegeven in rode cirkels (1, rust en 2, reactivering). MB NBs (blauw) zijn een subset van centrale hersenen NBs die zich voortdurend verdelen tijdens de ontwikkeling (4 per hersenhelft). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Als reactie op diervoeding worden PI3-kinase- en TOR-groeisignaleringsroutes actief in NBs en in hun gliale en tracheale niche 10,11,15,16. Wanneer voedingsstoffen uit de voeding worden teruggetrokken of wanneer de niveaus van PI3-kinase worden verlaagd, slagen DE’s er niet in om te reactiveren en wordt de groei van glia en luchtpijp ook verminderd 10,11,15,16. Het huidige model stelt dat NB-reactivering wordt gekoppeld aan larvale groei door het vetlichaam, dat een systemisch signaal afgeeft als reactie op diervoeding 12,17,18. Dit signaal, dat ongrijpbaar blijft, bevordert waarschijnlijk de expressie en afgifte van Drosophila insuline-achtig peptide (Dilps) in de hersenen, wat leidt tot de stroomafwaartse activering van PI3-kinase in NB’s en hun gliale en tracheale niche. Om de aard van de systemische cue(s) beter te begrijpen, ontwikkelden we een methode om rustige NB’s in gekweekte hersenexplantaten te reactiveren. Met deze methode kan reactivering van NBs worden getest in afwezigheid van systemische signalen van het hele dier. Exogene factoren kunnen worden teruggeleverd aan de kweekmedia en NB-reactivering getest op basis van de opname van het thymidine-analoog, EdU. Met behulp van deze methode hebben we vastgesteld dat exogene insuline voldoende is om rustige NB’s in hersenexplantaten te reactiveren. Toekomstig werk zal gericht zijn op het identificeren van aanvullende factoren die, wanneer ze weer worden toegevoegd, nb-rust in hersenexplantaten positief of negatief reguleren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven methode om hersenexplantaten te kweken, kan in de meeste laboratoriumomgevingen worden uitgevoerd. De benodigde tools, evenals de procedure en gegevensverzameling, zijn eenvoudig en ongecompliceerd. Met deze methode kan men een verscheidenheid aan hypothesen testen, waaronder die met betrekking tot de celsignaleringscascades en extrinsieke factoren die NB-reactivering en proliferatie reguleren. Hier, met behulp van wild-type OregonR-dieren, vonden we dat exogene insuline voldoende was om NBs te reactiv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We erkennen het LSAMP Bridges to Doctorate-programma voor financiering (CNK) en NIH / NIGMS (R01-GM120421 en R35-GM141886). We zijn Dr. Conor Sipe dankbaar voor figuur 1. We bedanken ook alle Siegrist-lableden voor hun voortdurende steun en mentorschap. We bedanken in het bijzonder Chhavi Sood en Gary Teeters voor hun zorgvuldige lezing van het manuscript en voor het geven van commentaar.
Materials
| 10 µL Pipette tips | Denville Sci | P2102 | |
| 1000 µL Pipette tips | Denville Sci | P2103-N | |
| 1000 µL Pipettor | Gilson | P1000 | |
| 16% paraformaldehyde (10 x 10 mL) | Electron Microscopy Sciences | 2912.60.0000 | Used for Fixation of Larval Brains |
| 20 µL Pipette | Gilson | P20 | |
| 200 µL Pipette tips | Gilson | P200 | |
| 200 µL Pipette tips | Denville Sci | 1158U56 | |
| 24-well multiwell culture plates | Fisher Scientific | 50-197-4477 | |
| 35 mm Petri dishes | Fisher Scientific | 08-757-100A | Grape Plate Ingredients |
| 4 °C refrigerator | Fisher Scientific | Provides an ideal temperature for >24 h incubations in antibody solution | |
| 63x Objective | Lecia | ||
| Active dry yeast | Most supermarkets | ||
| Agarose | Fisher Scientific | 214010 | Grape Plate Ingredients |
| Click-iT EdU Cell Proliferation Kit for Imaging, Alexa Fluor 647 dye | Thermo Fisher Scientific | C10340 | to label proliferating cells |
| Confocal Microscope | Leica | SP8 | |
| Coverslips 22 mm x 22 mm x 1 mm , 10 pack of 4 oz | Fisher Scientific | 12-544-10 | Two Coverslips are super glued to the ends of the microscope slide. This creates a space that allows for the brains to float in antifade while being imaged. |
| Coverslips, 22 mm x 50 mm x 1 mm | Fisher Scientific | 12-545E | The coverslip is placed on two square coverslips on the microscope slide ensuring that the brain in the antifade does not move while imaging. |
| Dissecting microscope | Zeiss | Stemi 2000 | |
| Ethanol 200 proof (100%), Decon Labs, 1 gallon bottle | Fisher Scientific | 2701 | Used to wash off the larvae before the 24 hr hold in culture medium |
| Fetal Bovine Serum (10%) | Sigma | F4135-100ML | Supplement for cell culture media. |
| Fine forceps for dissection | Fine Science Tools | 11295-20 | Forcepts used in disections. They work best when sharpened. |
| Fly Bottles for Crossing | Genessee Scientific | 32-130 | This bottle is used as a container that lets the flies lay eggs on the grape plate. |
| Glass Dissection Dish (3 well) | These are no longer available | ||
| Glutathione | Sigma | G6013 | Provides oxidative protection during cell culture. |
| Goat Serum | Sigma | G9023- 10ML | Blocking Agent |
| Grape Plates | Made in house | Made in house | Grape juice/agarose plates for collecting freshly hatched eggs |
| Image J | Imagej.net/fiji/downloads | Free Download: https://fiji.sc | Imaging platform that is used to count cells and Edu reactivation |
| Incubator | Thermo Fisher Scientific | Ensures that the temperature, humidity, and light exposure is exactly the same throughout experiment. | |
| Insulin | Sigma | I0516 | Independant variable of the experiment |
| Laminar flow hood | For aliquoting culture media | ||
| L-Glutamine | Sigma | G7513 | Provides support during cell culture |
| Nunc 72-well Microwell Mini Trays | Fisher Scientific | 12-565-154 | Immunostaining steps are performed in this tray |
| Parafilm | Fisher Scientific | S37440 | Film used to seal plates in order to prevent evaporation |
| Pen-Strep | Sigma | P4458-100ml | Antibiodics used to prevent bacterial contamination of cells during culture. |
| Phosphate Buffer, pH7.4 | Made in house | Made in house | Solvent used to wash the brains after fixing and staining steps |
| Pick | Fine Science Tools | 10140-01 | Used to pick larvae off of the grape plate |
| Propionic acid | Fisher Scientific | A-258 | Grape Plate Ingredients |
| Rabbit 405 | Abcam | ab175653 | Antibodies used for immunostaining |
| Rat 555 | Abcam | ab150166 | Antibodies used for immunostaining |
| Rb Scribble | A Gift from Chris Doe | Antibodies used for immunostaining | |
| Rt Deadpan | Abcam | ab195173 | Antibodies used for immunostaining |
| Schneiders Culture Medium | Life Tech | 21720024 | Contains nutrients that help the cells grow and proliferate |
| SlowFade Diamond Antifade (5 x 2 mL) | Life Tech | S36963 | Reagent that provides protection against fading fluorophores |
| Sterile Water | Autoclave Milli-Q water made in house | Needed for Solutions | |
| Sucrose | Fisher | S2-12 | Grape Plate Ingredients |
| Superfrost Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-544-7 | |
| Superglue | Most supermarkets | ||
| Tegosept | Genesee Scientific | 20-259 | Grape Plate Ingredients |
| Triton-X 100 | Sigma | T9284-100ML | PBT |
| Welch's 100% grape grape juice | Most supermarkets | Grape Plate Ingredients |
References
- Suman, S., Domingues, A., Ratajczak, J., Ratajczak, M. Z. Potential clinical applications of stem cells in regenerative medicine. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1201, 1-22 (2019).
- Tabar, V., Studer, L. Pluripotent stem cells in regenerative medicine: challenges and recent progress. Nature Reviews Genetics. 15, 82-92 (2014).
- Daley, G. Q. Stem cells and the evolving notion of cellular identity. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 370, 20140376 (2015).
- Rodrigues, M., Kosaric, N., Bonham, C. A., Gurtner, G. C. Wound healing: A cellular perspective. Physiological Reviews. 99, 665-706 (2019).
- van Velthoven, C. T. J., Rando, T. A. Stem cell quiescence: Dynamism, restraint, and cellular idling. Cell Stem Cell. 24, 213-225 (2019).
- Chapman, N. M., Boothby, M. R., Chi, H. Metabolic coordination of T cell quiescence and activation. Nature Reviews Immunology. 20, 55-70 (2020).
- Wosczyna, M. N., Rando, T. A. A muscle stem cell support group: Coordinated cellular responses in muscle regeneration. Developmental Cell. 46, 135-143 (2018).
- Homem, C. C., Knoblich, J. A. Drosophila neuroblasts: a model for stem cell biology. Development. 139, 4297-4310 (2012).
- Kang, K. H., Reichert, H. Control of neural stem cell self-renewal and differentiation in Drosophila. Cell and Tissue Research. 359, 33-45 (2015).
- Chell, J. M., Brand, A. H. Nutrition-responsive glia control exit of neural stem cells from quiescence. Cell. 143, 1161-1173 (2010).
- Sousa-Nunes, R., Yee, L. L., Gould, A. P. Fat cells reactivate quiescent neuroblasts via TOR and glial insulin relays in Drosophila. Nature. 471, 508-512 (2011).
- Britton, J. S., Edgar, B. A. Environmental control of the cell cycle in Drosophila: nutrition activates mitotic and endoreplicative cells by distinct mechanisms. Development. 125, 2149-2158 (1998).
- Lin, S., et al. Extremes of lineage plasticity in the Drosophila brain. Current biology : CB. 23, 1908-1913 (2013).
- Sipe, C. W., Siegrist, S. E. Eyeless uncouples mushroom body neuroblast proliferation from dietary amino acids in Drosophila. Elife. 6, 26343 (2017).
- Speder, P., Brand, A. H. Systemic and local cues drive neural stem cell niche remodelling during neurogenesis in Drosophila. Elife. 7, 30413 (2018).
- Yuan, X., Sipe, C. W., Suzawa, M., Bland, M. L., Siegrist, S. E. Dilp-2-mediated PI3-kinase activation coordinates reactivation of quiescent neuroblasts with growth of their glial stem cell niche. PLoS Biology. 18, 3000721 (2020).
- Colombani, J., et al. A nutrient sensor mechanism controls Drosophila growth. Cell. 114, 739-749 (2003).
- Geminard, C., Rulifson, E. J., Leopold, P. Remote control of insulin secretion by fat cells in Drosophila. Cell Metabolism. 10, 199-207 (2009).
- Siller, K. H., Serr, M., Steward, R., Hays, T. S., Doe, C. Q. Live imaging of Drosophila brain neuroblasts reveals a role for Lis1/dynactin in spindle assembly and mitotic checkpoint control. Molecular Biology of the Cell. 16, 5127-5140 (2005).
- Prithviraj, R., Trunova, S., Giniger, E. Ex vivo culturing of whole, developing Drosophila brains. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (65), e4270 (2012).
- Bostock, M. P., et al. An immobilization technique for long-term time-lapse imaging of explanted drosophila tissues. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 590094 (2020).
- Datta, S. Activation of neuroblast proliferation in explant culture of the Drosophila larval CNS. Brain Research. 818, 77-83 (1999).
