对人类诱导多能干细胞(iPS细胞)、由人类诱导多能干细胞衍生的视网膜色素上皮细胞(iPS-RPE)以及胎儿视网膜色素上皮细胞(fetal RPE)的微小RNA(miRNA)表达谱进行了比较。
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对人类诱导多能干细胞(iPS细胞)、由人类诱导多能干细胞衍生的视网膜色素上皮细胞(iPS-RPE)以及胎儿视网膜色素上皮细胞(fetal RPE)的微小RNA(miRNA)表达谱进行了比较。
本报告的目的是描述比较人类诱导性多能干细胞(iPS细胞)、由人iPS细胞衍生的视网膜色素上皮细胞(iPS-RPE)以及胎儿RPE细胞中微小RNA(miRNA)表达谱的实验方案。这些方案包括通过微阵列分析收集RNA,以及对微阵列数据进行分析,以鉴定在三种细胞类型间差异表达的miRNA。本文还解释了iPS细胞和胎儿RPE细胞的培养方法,并描述了将人iPS细胞分化为RPE细胞所用的实验流程。所介绍的RNA提取技术旨在最大程度地回收极小分子量RNA,以用于miRNA微阵列分析。最后,本文阐述了对微阵列数据进行细胞信号通路和网络分析的方法。这些技术将有助于比较三种不同细胞类型的miRNA表达谱。
干细胞具有无限增殖的能力,并且能够分化为任何一种体细胞类型。将体细胞重编程为多能干细胞的技术发展,已在科研界和临床医学领域引起极大关注,因为个性化组织再生的时代即将到来1诱导性多能干细胞(iPS细胞)具有与胚胎干细胞(ES细胞)相同的无限增殖潜能和多能性,同时避免了与胚胎干细胞相关的伦理争议。此外,患者来源的干细胞不会引发免疫反应,从而显著提高了治疗应用成功的可能性2-3在特定的培养条件下,iPS细胞已被证实可分化为多种不同类型的细胞 体外包括心肌细胞、神经元、胰岛β细胞、肝细胞和视网膜色素上皮细胞(RPE)4-12.
视网膜色素上皮(RPE)是位于视网膜后部的一层特化的色素性上皮细胞,具有多种对视觉健康和功能至关重要的作用,例如吸收散射光、吞噬光感受器外节段以及视黄醇类物质的代谢,以生成视觉发色团。由于损伤或疾病导致的RPE功能障碍会严重影响光感受器的健康和视觉功能,这一点在由RPE病变引起的致盲性疾病中得到了证实,例如年龄相关性黄斑变性(AMD)、Stargardt病和视网膜色素变性(RP)13。目前尚未实现真正有效的恢复视力的治疗方法,而用健康的RPE替代病变的RPE可能是防止视力丧失的最佳选择14-15。诱导多能干细胞来源的RPE(iPS-RPE)是一种潜在的细胞来源,可用于替代受损的RPE。iPS-RPE表达典型的RPE特异性蛋白,如LRAT、CRALBP、PEDF和RPE65;呈现出典型的深色素化六边形RPE形态;并具备RPE功能,包括吞噬作用、视黄醇类物质的处理以及11-cis 视黄醛的分泌5,16。然而,在iPS-RPE可用于临床治疗之前,必须对其进行全面表征。了解调控RPE分化的因素,对于提高用于临床应用的细胞产量和纯度至关重要。
细胞分化是基因表达高度调控的结果。在分化和发育过程中,细胞命运的决定需要基因组的表观遗传重塑以及转录因子的协同作用17。微小RNA(miRNA)对信使RNA(mRNA)翻译的调控构成了影响细胞命运的另一层调控机制1。miRNA是一类短链核苷酸序列,长度约为22个核苷酸,可通过与mRNA的3’非翻译区(UTR)结合来抑制翻译,或促使mRNA降解。几乎在所有组织中都已检测到miRNA的存在;截至目前,miRBase数据库中已收录超过2000种独特的人类微小RNA。由于miRNA与靶标mRNA结合仅需部分互补配对,因此单个miRNA可能结合数十甚至数百个不同的靶标,反之亦然;即单个mRNA可被多个不同的miRNA靶向。这种广泛的结合特性极大地增加了调控网络的复杂性,也加大了确定单个miRNA功能及其在细胞功能中所起作用的难度18-21。尽管如此,研究显示miRNA可通过影响DNA甲基化状态,在分化过程中精细调控基因表达17。在一项更针对视网膜色素上皮(RPE)的研究中,miR-204/211被证明可促进RPE的上皮表型22。另一研究团队分析了胚胎干细胞(ES细胞)向RPE分化过程中RPE的miRNA表达谱,发现分化过程的不同阶段表达着特定的miRNA组合23。事实上,miRNA表达谱能够明确区分不同类型的细胞,包括ES细胞、前体细胞和终末分化的细胞24,25。视网膜中表达的miRNA超过250种。基于这些研究,我们提出假设:miRNA在诱导性多能干细胞(iPS)向RPE分化的过程中发挥着重要作用。
本报告的目的是描述从 IMR90-4 诱导多能干细胞(iPS 细胞)分化视网膜色素上皮(RPE)的实验方案、通过微阵列分析收集 RNA 的方法,以及对微阵列数据进行分析以鉴定在三种细胞类型(iPS 细胞、iPS-RPE 和胎儿 RPE)中差异表达的 miRNA。从每种细胞类型的培养物中提取总 RNA,并杂交至包含针对 1,205 种人类 miRNA 和 144 种病毒 miRNA 的特异性探针的 miRNA 微阵列。比较微阵列结果,以确定在不同细胞类型中差异表达的 miRNA。筛选出表达水平变化倍数 ≥2 倍的 miRNA 进行进一步分析。使用 miRNA 分析软件程序鉴定差异表达 miRNA 的潜在靶基因,并构建由所选 miRNA 调控的细胞网络。
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1. 培养试剂和培养板的准备
2. iPS 细胞培养
3. iPS 细胞的传代
4. 将iPS细胞分化为iPS-RPE
5. 样本采集
6. 去除未分化细胞的iPS-RPE阴性筛选
7. 总RNA提取
8. 生物分析仪与微阵列实验
9. 通路分析
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iPS 细胞(图 1A)在分化条件下培养,以诱导其分化为 iPS-RPE 细胞。iPS-RPE 表现出典型的 RPE 表型,呈六边形色素细胞形态(图 1B),与胎儿 RPE(图 1C)相似。
为了更好地理解miRNA在iPS细胞向iPS-RPE分化过程中可能发挥的作用,进行了miRNA表达的微阵列分析。使用mirVana miRNA分离试剂盒从iPS细胞、胎儿RPE细胞和iPS-RPE细胞中提取总RNA,以最大程度保留小分子RNA。RNA在杂交至微阵列芯片前进行定量并检测纯度。采用代表1,205种人类miRNA和144种病毒miRNA的探针,分析各组样本的miRNA表达情况。通过分析信号强度,确定各样本中各miRNA的相对表达水平。利用所得数据比较iPS-RPE与iPS细胞及胎儿RPE细胞之间的miRNA表达谱。生成热图以直观展示各组间miRNA表达的差异情况图2A)。与iPS-RPE相比,在iPS中差异表达的miRNA共有83个,其中47个在iP...
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综上所述,本报告描述了诱导多能干细胞(iPS细胞)、iPS来源的视网膜色素上皮细胞(iPS-RPE)以及胎儿RPE细胞的培养方法。由iPS细胞衍生的RPE在形态和功能上均与胎儿RPE相似。iPS-RPE还表达典型的RPE相关基因,包括RPE65、CRALBP、PEDF和LRAT16。为了进一步表征这些细胞,提取RNA并进行微阵列分析,以鉴定差异表达的miRNA。信号强度分析显示,在胎儿RPE与iPS-RPE的比较中检测到的差异表达miRNA数量最多,提示iPS-RPE可能更为成熟。后续研究计划采用RT-PCR验证这些结果。
在本实验过程中,有几个关键步骤必须谨慎操作,以确保检测成功并获得准确的数据。第一个关键步骤发生在iPS细胞的培养过程中。iPS细胞必须保持在多能状态,以维持其干性。需每天仔细检查细胞是否出现分化迹象。未分化的iPS细胞以紧密的多细胞集落形式生长,具有较高的核质比和明显的核仁。iPS细胞集落具有清晰的边界,中心区域由多层细胞构成。分化迹象包括集落边界模糊、细胞形态不均一,以及出现明显的特定细胞类型(如神经元和成纤维细胞)。已分化的单个细胞可通...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本文作者的观点或主张仅为个人见解,不应被视为官方立场,也不应解释为美国陆军部或国防部的观点。
本研究是在作者 Whitney A. Greene、Alberto Muñiz 和 Ramesh R. Kaini 于美国陆军医学研究与发展司令部(USAISR)担任国家研究委员会博士后研究协会成员期间完成的。
微阵列实验由位于圣安东尼奥的德克萨斯大学健康科学中心Greehey儿童癌症研究中心微阵列核心实验室和生物信息学部门完成。
本工作由美国陆军临床康复医学研究计划(CRMRP)和军事作战医学研究计划(MOMRP)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| mTeSR1 培养基 + 5X 补充剂 | Stem Cell Technologies | 5850 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11330-032 | |
| 2-β-巯基乙醇 | Sigma | M-7154 | |
| 非必需氨基酸 | Hyclone(Fisher) | SH30853.01 | |
| 无血清替代物 | Life Technologies | 10828-028 | |
| 庆大霉素 | Life Technologies | 15750-060 | |
| MEM 培养基 | Life Technologies | 10370-021 | |
| N1 补充剂 | Sigma | N-6530-5ML | |
| 牛磺酸 | Sigma | T-8691-25G | |
| 氢化可的松 | Sigma | H0888-1G | |
| 胎牛血清 | Hyclone(Fisher) | SH3008803HI | |
| 三碘甲腺原氨酸钠盐 | Sigma | T6397 | |
| 氢氧化钠 | Sigma | S5881 | |
| 胎儿视网膜色素上皮细胞培养基 RTEGM 试剂盒 | Life Technologies | 195406 | |
| 分散酶 | Life Technologies | 17105-041 | |
| Matrigel | BD Biosciences | 354277 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Hyclone(Fisher) | 10010-023 | |
| 胰蛋白酶 | Hyclone(Fisher) | 25200-072 | |
| Miltenyi Biotec 洗涤缓冲液 | StemGent | 130-092-987 | |
| Miltenyi Biotec 冲洗缓冲液 | StemGent | 130-092-222 | |
| 抗 TRA-1-60 磁珠分选试剂盒 | StemGent | 130-095-816 | |
| Miltenyi Biotec 细胞分选柱 | StemGent | 130-021-101 | |
| RNeasy 微量提取试剂盒 | Qiagen | 74004 | |
| QIA shredder | Qiagen | 79654 | |
| RNA 6000 Pico LabChip 试剂盒 | Agilent | G2938-90046 | |
| 人 miRNA 微阵列 v16 | Agilent | G4471A |
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