始原生殖細胞 (PGCs) 精子と卵の両方の共通の前駆体であります。人間の胚の始原生殖は、サイトカインとの相互作用を通じて多能性胚盤葉上層の細胞から指定されます。ここでは、プライミング多能性誘導多能性幹細胞からの胚様体の表面で孵卵に似たひと細胞 transcriptomally を誘導する 13 日間プロトコルについて述べる。
始原生殖細胞 (PGCs) すべての生殖細胞の共通前駆体であります。マウス胚 〜 40 孵卵創立人口多能性胚盤葉上層の細胞からサイトカイン産生、骨形成タンパク質 4 (Bmp4) を含む管弦楽に編曲された露出によって引き起こされます。ヒト胎芽における最古の PGCs が妊娠、3rd週の終わり頃の卵黄嚢の内胚葉の壁に識別されているが、人間の PGC 仕様および初期開発のプロセスについて知られている少し。人間の胚始原生殖を勉強の技術および倫理的な障壁を回避するためにサロゲート細胞モデルを最近多能性幹細胞から生成されています。ここでは、堅牢な生産 PGC-Like 細胞 (hPGCLCs) のための 13 日プロトコルについて述べる.ひと誘導多能性幹細胞 (hiPSCs) をプライミング多能性の状態で維持が培養 48 時間媒体をリプログラミング 4i の素朴な単一のセルに分離、マイクロウェルにパックします。素朴な多能性の状態で hiPSCs の長期のメンテナンスは重要な染色体異常を引き起こすし、避けるべきであります。低付着の高濃度を含む hPGCLC 誘導培地における揺動条件下で容器に追加されますフォーム胚様体 (EBs) 4i 中 24 時間培養の維持、マイクロウェルの hiPSCs組換えの人間 BMP4。EBs は、さらに hPGCLCs の最大収率を取得する揺動、非付着の状態で 8 日までの培養します。免疫組織化学は、hPGCLCs 容易に強く表面に専らほとんどすべて EBs で OCT4 を発現する細胞として検出されます。CD38 + 40-45% 細胞として EBs が酵素によって解離 FACS 濃縮を受けるとき hPGCLCs を集めることができるもたらします。
始原生殖細胞 (PGCs) 男女ともにすべての生殖細胞の共通前駆体であります。哺乳類胚における始原生殖の開発に関する我々 の知識のほとんどが実験室マウス1,2を勉強を通じて得られました。マウス胚の胚日 6.0 6.5、PGC 前駆体の 6 または類似の小さな数字は、胚盤葉上層と 〜 40 PGCs が骨形成タンパク質 Bmp2 と隣接するから分泌される Bmp4 に依存した方法でそれらから誘導されるの創設の人口にあります。セルです。胚のところ識別される最も早い人間始原生殖は妊娠3週の終わりごろに卵黄嚢の内胚葉の壁にいた。これは、移行する PGCs がマウス胚の観察される同じ場所です、ので移行が創設の人口ではなくパスで観察された人間 PGCs がそうです。しかし、以前の段階をたどる研究始原生殖または PGC のヒト胎芽における前駆体が行方不明になっています。
人間の胚の始原生殖へのアクセスは、技術的および倫理的な障害のために挑戦です。これらのハードルを克服するには、PGC のような細胞モデルを最近ひと多能性幹細胞 (Psc) から生成されています。多能性は、生殖系列と 3 つの胚性胚葉4に分化する細胞機能です。細胞外マトリックス蛋白で被覆された料理に mTeSR1 培地 (プライミング多能性の状態で人間の Psc のメンテナンスのため策定する準備ができて、市販媒体) で維持される人間の Psc に対し準備万端状態多能性があります。4、2013 年にヤコブ ハンナの実験室は、ERK1/2、GSK3、JNK、ロック、暗号、蛋白質キナーゼを阻害剤を含む素朴な人間の幹細胞培地 (NHSM) に公開され、素朴な多能性の状態に発動を促された多能性細胞を変換できることを示したp38 MAPK と成長要因 LIF、TGF、bFGF5。素朴な多能性ひと Psc から 2015 年にハンナとアジム Surani が率いる研究グループは Psc6からひと PGC-Like 細胞 (hPGCLCs) の最初の堅牢な生産を実現しました。後、私たちを含めた、その他のいくつかの研究所は、わずかに異なるプロトコル7,8,9,10を使用して Psc から hPGCLCs の生成を報告しました。我々 の研究は、(私たちの以前に発行された研究10表 S1 にまとめます) 別のプロトコルを使用して生成された hPGCLCs の transcriptomally10を互いに類似を証拠を提供しました。入手可能な証拠は、世界的なエピジェネティックな消去7や遊走移行10前に早期人間胚始原生殖する人間 PGCLCs の類似性をサポートします。
研究マウス胚始原生殖、マウス PGCLCs および人間 PGCLCs (が唯一人間始原生殖への非常に限られたアクセス) マウスと人間1,6、PGC 仕様の分子機構が大幅に異なることを明らかにしました。 7,8,9,10、11,12,13,14,15,16 ,17。たとえば、Prdm14 マウス胚では、PGC 仕様で重要な役割を果たしているそう人間の PGC 仕様におけるその役割限られた1,15です。対照的に、EOMESODERMIN による SOX17 の誘導は、これら転写因子はマウス PGC 仕様15に不可欠なように見えるに対し PGC 仕様6,11,14、不可欠です。強く hPGCLCs を用いた研究のこれらの初期の成果は、人間の胚始原生殖の代理としてこの細胞培養モデルの重要性をサポートします。
最近発表された研究、ゲノム DNA のコピー数解析、評価、研究室のディープ シーケンスを含む素朴な多能性の状態で Psc の長期メンテナンスが染色体不安定性のリスクを大幅に増加を示していると構造の異常。この現象は、マウス18と人間19 Psc の両方で観察しました。少なくとも 2 週間64i 素朴な多能性媒体で維持される人間の Psc のハンナ/Surani によって報告された元の hPGCLC 生産のプロトコルが開発されました。人間の Psc と PGCLCs の正常の二倍体染色体を維持するために人間の Psc が唯一 72 時間用10, この記事で示される 4i 中にさらされている修正されたプロトコルを開発しました。人間 Ips (hiPSCs) は、下塗りの多能性の状態の下で保持されます。EB 形成する直前にセルは 4i の素朴なリプログラミング培地 (変更された NHSM 中) で 48 時間培養しました。セルは解離し、4i 中追加 24 時間フォーム EBs マイクロウェルにパックします。EBs は、hPGCLCs の最大の収率を取得する 8 日前までなし添付ファイルのカルチャの揺動条件の下で遺伝子組換えひと BMP4 の高濃度を含む hPGCLC 誘導培地で維持されます。8 日 EB 培養後 FACS 並べ替え可能な単一細胞懸濁液の収量に CD38 + ~ 40% 細胞として hPGCLCs を FACS による解離の EB 細胞から分離することができます。方法7,8,9, 私たちの変更の6、前に元のプロトコルを含む通常特定せず自発的に形作られる細胞凝集塊の hPGCLCs を生成その他が公開されたに対しローカリゼーションでは、我々 のプロトコルによって生成された hPGCLC は胚様体 (EBs) の表面で観察されます。
ここで説明されているプロトコルを使用して hPGCLCs の堅牢な生産は、正常の二倍体核型10人間 Ips の 3 つの独立したクローンが確認されました。これらの iPSC のクローンは、同じ人間の新生児皮膚皮膚線維芽細胞細胞文化10から派生しました。彼らは、リクエストに応じて、適切な材料移転契約と冷凍の生きている人間の細胞の配置を配送の下は捜査官にこの記事の著者によって提供されます。正常核型の私達のプロトコルまたは他の所で報告されたものを使用して堅牢な hPGCLC の生産のために必要かどうかについて現在知られているです。
必要な T ボックス転写因子 hiPSCs11または Esc14京都大学8の斎藤のグループによって記述されたプロトコルを使用してから hPGCLCs の生産が EOMESODERMIN の式に依存する最近の研究を示している、SOX17 の誘導。SOX176ひと多能性幹細胞の生殖細胞分化における転写因子を決定するマスターの系統として機能するようであります。EOMESODERMIN はEOMES遺伝子によってエンコードされたEOMESの CRISPR/Cas9 ノックアウト条件11の生産 hPGCLC の SOX17 誘導のほぼ完全な欠如の原因し、他の遺伝子の表現の同じパターンに従って、SOX17 null ノックアウト細胞。EOMESで誘導ベクトルから EOMESODERMIN の過剰発現-hPGCLC 誘導培養中の null ノックアウト細胞は効率的に SOX17 を含む生殖細胞系遺伝子の誘導と同様に堅牢な hPGCLC 生産を救出します。対照的に、誘導発現 SOX17 も堅牢な PGCLC 生産を救出したが、EOMES を引き起こすことがなく。したがって、EOMESODERMIN は、SOX17 の重要な上流インデューサ、ひと多能性幹細胞から誘導 hPGCLC で EOMESODERMIN の単一の最も重要な役割をこれ。私達のプロトコルは、hiPSCs10SOX17 を誘導するが、EOMESODERMINE 誘導への依存を決定する待っています。
このプロトコルでは、プライミング多能性人間 Ips は変更された素朴な人間の幹細胞培地 (NHSM)5中6、プログラムし直す 4 の 96 時間 mTeSR1 中 ERK に依存しない素朴な多能性維持に変換します。同じ人間の iPSC クローンから始まるが他の市販の人間 iPSC 成長媒体 hPGCLC 利回りが低いの度合いで起因した文化 4 媒体をプログラムし直す前に hPGCLCs を生成する我々 の試み。この観察が示唆しているが、他のメディアで長期的な適応の hPGCLC 生産向上かないまま未来の調査決定、大幅書き換え 4 前に人間 Ips のプライミング多能性の正確な状態4i 中 EB 形成と hPGCLC 培地で EB 分化に影響を与えます。
我々 のプロトコル、次 hiPSCs から hPGCLCs の生産は、堅牢で EBs の多数の効率的な生産を可能にするマイクロウェル プレートの使用により部分的、再現性の高い (~ 8,000 バッチごとの EBs) 制服サイズ (EB あたり 3,000 hiPSCs)。EBs は、容易に私たちのプロトコルを使用して実験の 1 つのバッチで生産数は通常 U 下部セル文化井戸を用いた方法よりもはるかに大きいかもしれません。HPGCLCs ちりばめられて一様に均等に大きさで分類された EBs の大規模な数の生産は、小分子活性化または PGC 仕様を阻む要因を識別する高スループット化学上映のユニークな機会を与えるかもしれません、エピジェネティックな再プログラム化など生物学的特性。このような EBs 生殖細胞毒性、環境汚染物質だけでなく化学療法のエージェントなども臨床的に処方薬を含む大量の毒性の評価に役立つ場合もあります。
提示プロトコルを使用して hPGCLCs の堅牢かつ再現性のある生産の重要な要因を含める (i) (ii) と厳密に指定されているセルの正確な数を接種する、細胞外マトリックス蛋白質の mTeSR1 の維持健康的な hiPSCs の使用中型の変更やサブカルチャー、(iii) 人間の組換え BMP4 と (iv) 揺動培養中に EBs の物理的な損害を最小限に抑えるための良い多くを選択するタイミングに従ってください。BMP4 試薬の他の多くの必要な 2 X または大きい線量に対し、BMP4 試薬の最高の多くが 100 ng/mL の濃度で働いていた私たちの経験です。その一方で、BMP4 の最高の多くではなく減少 BMP4 の高用量を用いた hPGCLCs 生産の収量 (例えば、 200 ng/mL)。組換えひと BMP4 試薬 hPGCLC 世代を支援でのパフォーマンスの複数のベンダーから得られるたくさんのいくつか異なるをテスト最高の多くの大規模な量を確保することをお勧めします。
HPGCLC プロトコルの特徴は、他のプロトコルはセルの集計6,8の途中で hPGCLCs を生成できるに対し、hPGCLCs が EBs10 (図 8) の表面最外層にローカライズされているです。胚様体は、コア、内殻、外殻表面など複数の明瞭な層を形成する傾向があるし、中核地域は、しばしばプロ存続提供される成長因子フォーム、文化と同様、栄養素、酸素の限られた供給のために壊死拡散20媒体。EBs センターに向かって限られた拡散のため可能な限り制限なし EBs の表面に hPGCLCs の局在は露出のため直接、時間と線量制御 hPGCLCs の薬物や有害物質のために有益であるかもしれない薬理学的または毒性学的研究。
7,19、20hPGCLCs でグローバル gDNA を脱メチル化の程度は、マウスよりも弱いようマウス PGCLCs を堅牢なゲノムワイドな DNA 脱メチル化刷り込みを含むコントロール領域を少なくとも部分的に対しPGCLCS または孵卵6,7。Transcriptomal プロファイルは、hPGCLCs 可能性がありますマウス PGCLCs10より胚始原生殖の早い段階のようにことをお勧めします。EBs hPGCLC 生産の条件の下での長期にわたる文化を引き起こした gDNA 脱メチル化7度の増加が報告されています。ただし、EBs のまたは隔離されたセルとして hPGCLCs の文化の延長期間が生殖細胞分化のより高度な段階を達成できるかどうか今後の研究によって決定される必要があります。
The authors have nothing to disclose.
我々 は、初期の研究中の技術支援の塩見八幡とチエ Owa を認めます。本研究はだった補助金 NIEHS/NIH R01 ES023316 と TS に R21ES024861 によって JHH に乗務医療研究所 (FAMRI) の助成金でサポートされています。
Primed pluripotency hiPSC culture | |||
Matrigel | Corning | 354277 | Aliquot Matrigel at the volume indicated by the manufacturer (about 200 μL). Use cold tubes. Store at -80 °C |
DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 21041-025 | Store at 4 °C. |
mTeSR1 | STEMCELL Technologies | 85850 | Reconstitute by adding 5X Supplement to Basal Medium. The reconstituted medium can be stored at 4 °C for up to 4 weeks without affecting cell culture performance. |
Y27632 | Axon | 1683 | Dilute 5 mg Y27632 (MW 320.26) with 312.2 μL water to prepare 50 mM Y27632 stock solution. Sterilize by filtration (0.22 μm). Aliquot 20 μL/tube x 15 tubes and store at -20 °C. |
CryoStor CS10 | STEMCELL Technologies | 07930 | Store at 4 °C. |
Accutase | Innovative cell technologies | AT104-500 | Cell dissociation enzyme; aliquot 40 mL/tube x 12 tubes and store at -20 °C. |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
4i hiPSC culture | |||
KnockOut DMEM | Thermo Fisher Scientific | A1286101 | |
KnockOut Serum Replacement | Thermo Fisher Scientific | 10828028 | Aliquot 40 mL/tube x 12 tubes and store at -20 °C. |
Penicillin-Streptomycin-Glutamine (100x) | Thermo Fisher Scientific | 10378016 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Thermo Fisher Scientific | 11140050 | |
Insulin from bovine pancreas | Sigma-Aldrich | I1882-100MG | Add 0.1 mL glacial acetic acid to 10 mL water. Sterilize by filtration (0.22 um). Dilute 100 mg insulin lyophilized powder with cold 10 mL the acidified water to make 10 mg/mL stock solution. Aliquot 650 μL/tube x 15 tubes and store at -80 °C. |
human LIF | PeproTech | 300-05 | Reconstitute 250 μg human LIF with 250 μL water. Add 750 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL human LIF stock solution. Specific activity of this product is >10,000 units/μg. Aliquot 40 ul/tube x 25 tubes and store at -80 °C. |
human FGF2 | R&D Systems | 4114-TC | Reconstitute 1 mg human FGF2 with 5 mL PBS(-) to make 200 μg/mL human FGF2 stock solution. Aliquot 100 μL/tube x 50 tubes and store at -80 °C. |
human TGF-β1 | PeproTech | 100-21 | Reconstitite 50 μg with 50 μL of 10 mM Citric Acid (pH 3.0). Add 150 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL human TGF-β1 stock solution. Aliquot 4 μL/tube x 50 tubes and store at -80 °C. |
4i basal medium | Mix the following reagents to make 4i basal medium. 500 mL of KnockOut DMEM 100 mL of KnockOut Serum Replacement 6 mL of Penicillin-Streptomycin-Glutamine (100x) 6 mL of MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) 650 µL of 10 mg/mL Insulin from bovine pancreas 40 µL of 250 µg/mL human LIF 20 µl of 200 µg/ml human FGF2 4 µl of 250 µg/ml human TGF-β1 Aliquots 40 ml/tube and store at -80 °C. |
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CHIR99021 | Axon | 1386 | Reconstitute 25 mg CHIR99021 (MW 465.34) with 1791 μL DMSO to make 30 mM CHIR99021 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 35 tubes and store at -20 °C. |
PD0325901 | Axon | 1408 | Reconstitute 5 mg PD0325901 (MW 482.19) with 1037 μL DMSO to make 10 mM PD0325901 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 20 tubes and store at -20 °C. |
BIRB796 | Axon | 1358 | Reconstitute 10 mg BIRB796 (MW 527.66) with 948 μL DMSO to make 20 mM BIRB796 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 18 tubes and store at -20 °C. |
SP600125 | Tocris | 1496 | Reconstitute 10 mg SP600125 (MW220.23) with 908 μL DMSO to make 50 mM SP600125 stock solution. Aliquot 50 μL/tube x 18 tubes and store at -20 °C. |
AggreWell400 | STEMCELL Technologies | 27845 | Microwell plate |
Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | Reconstitute 5 g Pluronic F-127 in 100 mL water to make 5%(w/v) Pluronic F127 stock solution. Sterilize by filtration (0.22 um). Aliqout 50 mL/tube x 2 tubes and store at r.t. |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
hPGCLC culture | |||
Glasgow’s MEM | Thermo Fisher Scientific | 11710035 | |
Sodium pyruvate (100 mM) | Thermo Fisher Scientific | 11360070 | |
Penicillin-Streptomycin (100x) | Corning | 30-002-CI | |
hPGCLC basal medium | Mix the following reagents to make hPGCLC basal medium. 500 mL of Glasgow’s MEM 75 mL of KnockOut Serum Replacement 6 mL of MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) 6 mL of 100 mM Sodium pyruvate 6 mL of Penicillin-Streptomycin (x100) Aliquots 40 mL/tube and store at -20 °C. |
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2-Mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M3148 | Dilute 350 μL 2-Mercaptoethanol (14.3 M) in 9.65 mL PBS(-) to make 500 mM 2-Mercaptoethanol stock solution . Store at 4 °C. |
L-Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4544 | Reconstitute 400 mg L-Ascorbic acid with 20 mL water to make 20 mg/mL L-Ascorbic acid stock solution. Sterilize by filtration (0.22 um). Aliquot 500 μL/tube x 40 tubes and store at -20 °C. |
Recombinant human BMP4 | R&D Systems | 314-BP | Reconstitute 1 mg recombinant human BMP4 with 10 mL of 4mM HCl aq. to make 100 μg/mL recombinant human BMP4 stock solution. Aliquot 250 μL/tube x 40 tubes and store at -80 °C. |
Human SCF | PeproTech | 300-07 | Reconstitute 250 μg human SCF with 500 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 500 μg/mL human SCF stock solution. Aliquot 35 μL/tube x 14 tubes and store at -80 °C. |
Human EGF | PeproTech | AF-100-15 | Reconstitute 1 mg human EGF with 1 mL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 1 mg/mL human EGF stock solution. Aliqot 100 μL/tube x 10 tubes. Dilute 100 μL of 1 mg/ml human EGF stock solution with 300 μL of 0.1% bovine serum albumin in PBS(-) to make 250 μg/mL humanEGF stock solution. Aliquot 20 μL/tube x 20 tubes. Store at -80 °C. |
Cell strainer | Corning | 352340 | Pore size = 40 μm. |
50 ml polypropylene conical tube | Corning | 352070 | |
Low attachment plate | Corning | 3471 | |
Vari-Mix Platform Rocker | Thermofisher | M79735Q | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
Immunohistochemical staining | |||
BLOXALL Blocking Solution | VECTOR | SP-6000 | |
Normal Horse serum ImmPRESS Reagent Anti-Goat IgG |
VECTOR | MP-7405 | |
OCT-3/4 Antibody | Santa Cruz | SC-8629 | |
ImmPACT DAB | VECTOR | SK-4105 | |
Permount | Thermofisher | SP15-100 | Mounting medium |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
Isolating hPGCLC | |||
Embryoid Body Dissociation Kit | Miltenyi Biotec | 130-096-348 | |
Anti-CD38 antibody conjugated to APC | abcam | ab134399 |