Riattivazione delle cellule staminali neurali negli espianti cerebrali di Drosophila in coltura
Summary
È stato stabilito un metodo per riattivare le cellule staminali neurali quiescenti negli espianti cerebrali di Drosophila in coltura. Utilizzando questo metodo, il ruolo dei segnali sistemici può essere disaccoppiato dai segnali intrinseci del tessuto nella regolazione della quiescenza, dell’ingresso e dell’uscita delle cellule staminali neurali.
Abstract
Le cellule staminali neurali (NSC) hanno la capacità di proliferare, differenziarsi, subire apoptosi e persino entrare e uscire dalla quiescenza. Molti di questi processi sono controllati dalla complessa interazione tra i programmi genetici intrinseci NSC con i fattori estrinseci NSC, locali e sistemici. Nell’organismo modello genetico, Drosophila melanogaster, le NSC, note come neuroblasti (NB), passano dalla quiescenza alla proliferazione durante la transizione embrionale a quella larvale. Durante questo periodo, le larve emergono dai loro gusci d’uovo e iniziano a gattonare, alla ricerca di nutrienti dietetici. In risposta all’alimentazione animale, il corpo grasso, un organo endocrino con capacità di accumulo lipidico, produce un segnale, che viene rilasciato sistemicamente nell’emolinfa circolante. In risposta al segnale derivato dal corpo grasso (FBDS), i peptidi insulino-simili a Drosophila (Dilps) vengono prodotti e rilasciati dai neuroni neurosecretori del cervello e dalla glia, portando all’attivazione a valle della segnalazione della crescita della PI3-chinasi nei NB e nella loro nicchia gliale e tracheale. Sebbene questo sia il modello attuale di come i NB passano dalla quiescenza alla proliferazione, la natura del segnale estrinseco FBDS rimane sfuggente. Per capire meglio come i segnali sistemici estrinseci NB regolano l’uscita dalla quiescenza, è stato sviluppato un metodo per coltivare i primi cervelli larvali in vitro prima dell’alimentazione animale. Con questo metodo, i fattori esogeni possono essere forniti ai terreni di coltura e NB uscita dalla quiescenza analizzata. Abbiamo scoperto che l’insulina esogena è sufficiente per riattivare i NB dalla quiescenza negli espianti di tutto il cervello. Poiché questo metodo è adatto per schermi su larga scala, miriamo a identificare ulteriori segnali estrinseci che regolano la quiescenza NB rispetto alle decisioni di proliferazione. Poiché i geni e i percorsi che regolano le decisioni di proliferazione NSC sono conservati evolutivamente, i risultati di questo test potrebbero fornire informazioni sul miglioramento delle terapie rigenerative nella clinica.
Introduction
Le cellule staminali sono di grande interesse per il loro potenziale di utilizzo nella medicina rigenerativa 1,2. Molti animali, specialmente quelli longevi, mantengono le cellule staminali all’interno dei loro tessuti adulti. Queste cellule staminali residenti funzionano per mantenere l’omeostasi tissutale e sono utilizzate per la riparazione a seguito di lesioni fisiche o malattie 3,4. La maggior parte delle cellule staminali negli animali adulti sono quiescenti, uno stato relativamente dormiente caratterizzato dall’arresto del ciclo cellulare e dall’inattivazione della segnalazione della crescita5. In risposta a segnali estrinseci, le cellule staminali escono dalla quiescenza, entrano nel ciclo cellulare e iniziano a generare progenie figlia specifica per il loro tipo di tessuto. Ad esempio, al fine di montare una risposta immunitaria efficace, le cellule che presentano l’antigene inducono cellule T ingenue quiescenti ad entrare nel ciclo cellulare e ad espandersi clonalmente6. In risposta al danno muscolare scheletrico, le cellule staminali satelliti muscolari entrano nel ciclo cellulare e generano mioblasti figli per sostituire le miofibrille danneggiate 5,7. Mentre è chiaro che le cellule staminali quiescenti rispondono ai segnali estrinseci, in molti casi, la natura del segnale estrinseco rimane poco chiara, così come il meccanismo di attivazione delle cellule staminali indotte dal cue. Ottenere una migliore comprensione di come le cellule staminali quiescenti rispondono ai segnali estrinseci ed entrano nel ciclo cellulare aiuterà nello sviluppo di migliori terapie con cellule staminali nella clinica e aumenterà le conoscenze scientifiche.
Per decenni, gli organismi modello sono stati utilizzati per scoprire i geni e le vie di segnalazione cellulare che regolano la proliferazione delle cellule staminali durante lo sviluppo e in età adulta. In Drosophila, le cellule staminali neurali (NSC), note come neuroblasti (NB), si dividono durante lo sviluppo per generare tutti i neuroni e glia che alla fine si integrano, formando il circuito neurale richiesto per la funzione cerebrale 8,9. Come altre cellule staminali, le NB si dividono asimmetricamente per auto-rinnovarsi e, in alcuni casi, simmetricamente per espandere il pool di cellule staminali. I NB sono specificati durante l’embriogenesi e la maggior parte entra in quiescenza verso la fine, in coincidenza con il declino delle riserve di nutrienti materni (Figura 1). Dopo che l’embriogenesi è completa, le larve si schiudono e iniziano a nutrirsi. In risposta all’alimentazione animale, i NB si riattivano dalla quiescenza e riprendono le divisioni cellulari 10,11,12,13,14,15,16. Poiché il SNC Di Drosophila è relativamente semplice e poiché i NB entrano ed escono dalla quiescenza in momenti definiti, l’uso di Drosophila per studiare la regolazione della quiescenza, dell’entrata e dell’uscita, si rivela ideale.
Figura 1: Proliferazione relativa di CB NB (neuroblasti cerebrali centrali, rosso) e MB NB (neuroblasti del corpo a fungo, blu) nel corso dello sviluppo. Alla fine dell’embriogenesi, la maggior parte dei NB (linea rossa) cessa la proliferazione ed entra nella quiescenza. La quiescenza continua fino a quando le larve appena schiuse consumano il loro primo pasto completo. I punti temporali di messa a fuoco per questa metodologia sono indicati in cerchi rossi (1, quiescenza e 2, riattivazione). Gli MB NB (blu) sono un sottoinsieme di NB del cervello centrale che si dividono continuamente durante lo sviluppo (4 per emisfero cerebrale). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In risposta all’alimentazione animale, le vie di segnalazione della crescita PI3-chinasi e TOR diventano attive nei NB e nella loro nicchia gliale e tracheale 10,11,15,16. Quando i nutrienti dietetici vengono ritirati o quando i livelli di PI3-chinasi sono ridotti, i NB non riescono a riattivarsi e anche la crescita di glia e trachea viene ridottadi 10,11,15,16. Il modello attuale postula che la riattivazione nb sia accoppiata alla crescita larvale da parte del corpo grasso, che rilascia un segnale sistemico in risposta all’alimentazione animale 12,17,18. Questo segnale, che rimane sfuggente, probabilmente promuove l’espressione e il rilascio del peptide insulino-simile alla Drosophila (Dilps) nel cervello, che porta all’attivazione a valle della PI3-chinasi nei NB e nella loro nicchia gliale e tracheale. Per comprendere meglio la natura dei segnali sistemici, abbiamo sviluppato un metodo per riattivare i NB quiescenti negli espianti cerebrali in coltura. Con questo metodo, la riattivazione dei NB può essere analizzata in assenza di segnali sistemici di animali interi. I fattori esogeni possono essere riforniti ai terreni di coltura e la riattivazione NB è stata analizzata in base all’incorporazione dell’analogo della timidina, EdU. Utilizzando questo metodo, abbiamo determinato che l’insulina esogena è sufficiente per riattivare i NB quiescenti negli espianti cerebrali. Il lavoro futuro sarà finalizzato all’identificazione di ulteriori fattori che, una volta aggiunti, regolano positivamente o negativamente la quiescenza NB negli espianti cerebrali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo qui descritto per coltivare gli espianti cerebrali può essere eseguito nella maggior parte degli ambienti di laboratorio. Gli strumenti richiesti, così come la procedura e la raccolta dei dati, sono semplici e diretti. Con questo metodo, si può testare una varietà di ipotesi, comprese quelle relative alle cascate di segnalazione cellulare e ai fattori estrinseci che regolano la riattivazione e la proliferazione nb. Qui, utilizzando animali OregonR selvatici, abbiamo scoperto che l’insulina esogena era suffi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Riconosciamo il programma LSAMP Bridges to Doctorate for funding (CNK) e NIH / NIGMS (R01-GM120421 e R35-GM141886). Siamo grati al Dr. Conor Sipe per la Figura 1. Ringraziamo anche tutti i membri del laboratorio Siegrist per il loro continuo supporto e tutoraggio. Ringraziamo in particolare Chhavi Sood e Gary Teeters per l’attenta lettura del manoscritto e per aver fornito commenti.
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
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