本方案通过可诱导的piggyBac载体异位表达转录因子,可快速高效地将诱导性多能干细胞转化为具有脊髓或颅脑特征的运动神经元。
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本方案通过可诱导的piggyBac载体异位表达转录因子,可快速高效地将诱导性多能干细胞转化为具有脊髓或颅脑特征的运动神经元。
本文介绍一种从人诱导性多能干细胞(iPSCs)获得功能性脊髓和颅脑运动神经元的方法。通过异位表达特定的转录因子组合模块,即可实现向运动神经元的直接转化,这些模块分别为 Ngn2、Isl1 和 Lhx3(NIL)或 Ngn2、Isl1 和 Phox2a(NIP)。NIL 和 NIP 分别决定脊髓和颅脑运动神经元的身份特征。本方案首先构建经改造的 iPSC 细胞系,使 NIL 或 NIP 模块通过 piggyBac 转座子载体稳定整合至基因组中。随后通过多西环素诱导转基因表达,可在 5 天内将 iPSC 转化为运动神经元前体细胞。再经过 7 天的进一步成熟培养,即可获得高度均一的脊髓或颅脑运动神经元群体。与以往方案相比,本方法具有多项优势:操作极为快速简便;无需病毒转染或后续的运动神经元分离步骤;能够生成不同亚型的运动神经元(脊髓型与颅脑型),且成熟度显著,表现为可产生成簇的动作电位。此外,可在无需从混合细胞群中纯化的条件下获得大量运动神经元。由 iPSC 分化而来的脊髓和颅脑运动神经元可用于肌萎缩侧索硬化症及其他运动神经元变性疾病的体外建模研究。均一的运动神经元群体可能成为细胞类型特异性药物筛选的重要资源。
运动神经元(MN)的变性在肌萎缩侧索硬化症(ALS)和脊髓性肌萎缩症(SMA)等人类疾病中起着致病作用。建立能够重现人类运动神经元复杂性的合适体外细胞模型系统,是开发新型治疗策略的重要一步。目前,已从多种运动神经元疾病患者中成功获得具有强大多向分化潜能的诱导性多能干细胞(iPSCs)1,2。此外,通过基因编辑技术,研究人员已从对照的"健康"多能干细胞出发,构建了携带与运动神经元疾病相关致病突变的iPSC细胞系3。这些细胞系是体外疾病建模和药物筛选的有力工具,前提是具备合适的将iPSC定向分化为运动神经元的方法。本方法的开发旨在为关注运动神经元疾病研究的科学界提供一种快速且高效的分化方案,以获得成熟且具有功能的运动神经元。该方法的首要优势在于其较短的操作时间。另一重要优势在于无需任何细胞纯化步骤。最后,该方案可用于生成两种不同的运动神经元群体。
生成不同亚型运动神经元(MNs)的可能性对于运动神经元疾病的建模尤为重要。在肌萎缩侧索硬化症(ALS)和脊髓性肌萎缩症(SMA)中,并非所有运动神经元亚型的易损性均相同,不同运动单位症状的起始情况极大地影响着预后。在ALS中,若症状起始于四肢(脊髓型),患者通常在约3-5 年内死亡4。相反,若为延髓起始型(起始于颅脑运动神经元的退化),其预后更差。此外,携带RNA结合蛋白FUS和TDP-43突变的患者中,延髓起始型所占比例显著高于SOD1突变个体5。几乎所有其他运动神经元定向分化方案都依赖于视黄酸(RA)的作用,该因子赋予分化中的诱导多能干细胞(iPSCs)脊髓特性6,7,8。这限制了研究某些内在保护性因素的可能性,而这些因素可能在特定运动神经元亚型中发挥保护作用9,10。
与之前在小鼠胚胎干细胞中的研究一致11,我们近期研究表明,在人诱导多能干细胞(iPSCs)中异位表达 Ngn2、Isl1 和 Lhx3(NIL)可诱导产生脊髓运动神经元(MN)特性,而 Ngn2 和 Isl1 联合 Phox2a(NIP)则可指定脑神经运动神经元12。因此,我们开发了一种高效方案,可在12天内快速生成具有功能特性的人大运动神经元。该方法的目的是在短时间内获得高度富集的、具有脊髓或颅脑特性的运动神经元细胞群,且无需进行纯化步骤(例如通过流式细胞分选术FACS)。
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1. 人iPSC的维持
2. 生成可诱导的NIL和NIP iPSC细胞系
3. 运动神经元分化
4. 免疫染色分析
5. 通过膜片钳记录进行功能表征
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分化方法的示意图见图1。将人iPSCs(WT I系3)转染epB-Bsd-TT-NIL或epB-Bsd-TT-NIP,经杀稻瘟菌素筛选后获得稳定且可诱导的细胞系12,下文分别称为iPSC-NIL和iPSC-NIP。对分化细胞进行多能性标志物OCT4和泛神经元标志物TUJ1的表达分析。免疫染色结果显示,在第0天,所有细胞均表达OCT4,而无TUJ1阳性信号(图2A)。第3天时,OCT4阳性细胞数量显著减少,同时部分正在分化的iPSCs开始表达TUJ1(图2B)。至第5天,细胞群体中已检测不到OCT4表达,而TUJ1表达一致阳性,并呈现出神经元形态(图2C)。随后将运动神经元前体细胞解离并重新接种,以进一步成熟...
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该方案通过异位表达谱系特异性转录因子,可高效地将人iPSCs转化为脊髓和颅脑运动神经元。这些转基因通过多西环素诱导,并借助基于piggyBac转座子的载体稳定整合至基因组中。在混合细胞群体中,piggyBac载体的一个或多个拷贝会随机插入单个细胞的基因组,从而增加基因组完整性受损的风险。此外,随着时间推移,可能逐渐发生iPSC亚克隆的选择性扩增,进而影响分化过程以及疾病组与对照组细胞系之间的比较分析。因此,采用本方案获得的iPSC来源的运动神经元不适合用于再生医学。然而,该方法在体外运动神经元疾病建模方面可能具有重要应用价值。本方法的主要优势包括培养条件极为简化、运动神经元转化速度快、iPSC来源的运动神经元成熟度高,以及能够同时获得脊髓和颅脑运动神经元,后者已通过特异性标记基因表达分析得到证实12该方案的稳健性通过其可重复性得到验证。迄今为止,我们已成功应用该方案超过30次,用于脊髓和/或颅脑运动神经元的生成,并通过标志物分析和/或功能分析评估了实验结果。我们已成功将运动神经元培养物维持长达两个月,未见明显活力下降。此外,一旦获得稳定转导的iPSC细胞系,每次实验均可通过多西环素诱导启动...
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作者无任何利益冲突需要披露
作者感谢意大利技术研究院生命纳米科学中心成像平台提供的支持与技术指导。我们感谢生命纳米科学中心成员的有益讨论。本研究部分得到了AriSLA基金会(2016年试点项目资助)的资助。 "StressFUS") 至 AR。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 5-Bapta | Sigma-Aldrich | A4926-1G | 电生理溶液用化学品 |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964-100ML | 细胞解离试剂 |
| 抗-CHAT | EMD Millipore | AB144P | 抗胆碱乙酰转移酶。免疫染色实验中使用的一抗。RRID: AB_2079751;批号:2971003 |
| 抗山羊 Alexa Fluor 488 | 赛默飞世尔科技 | A11055 | 用于免疫荧光检测的二抗。RRID: AB_2534102;批号:1915848 |
| 抗小鼠 Alexa Fluor 647 | 赛默飞世尔科技 | A31571 | 用于免疫荧光检测的二抗。RRID: AB_162542;批号:1757130 |
| 抗Oct4 | BD 生物科学 | 611202 | 免疫染色实验中使用的一抗。RRID: AB_398736;批号:5233722 |
| 抗-Phox2b | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | sc-376997 | 免疫染色实验中使用的一抗。批号:E0117 |
| 抗兔 Alexa Fluor 594 | 免疫学科学 | IS-20152-1 | 用于免疫荧光检测的二抗 |
| 抗-TUJ1 | Sigma-Aldrich | T2200 | 免疫染色实验中使用的一抗。RRID: AB_262133 |
| B27 | Miltenyi Biotec | 130-093-566 | 用于神经元细胞维持的无血清添加剂 |
| Bambanker | Nippon Genetics | NGE-BB02 | 用于运动神经元前体细胞的细胞冻存液 |
| BDNF | PreproTech | 450-02 | 脑源性神经营养因子 |
| 杀稻瘟菌素 | Sigma-Aldrich | 203350 | 抑制原核生物和真核生物蛋白质合成的核苷类抗生素 |
| BSA | Sigma-Aldrich | A2153 | 牛血清白蛋白。用于免疫染色实验中防止抗体非特异性结合的封闭剂 |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C3881 | 电生理溶液用化学品 |
| Clampex 10 软件 | Molecular Devices | Clampex 10 | 膜电流记录系统 |
| Corning Matrigel hESC-合格基质 | 康宁 | 354277 | 从Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)小鼠肉瘤中重建的基底膜基质。用于诱导多能干细胞(iPSC)在塑料和玻璃载体上的黏附 |
| CRYOSTEM ACF 冻存培养基 | 生物工业公司 | 05-710-1E | 人诱导多能干细胞冻存培养基 |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G5146 | 电生理溶液用化学品 |
| DAPI 粉末 | 罗氏 | 10236276001 | 4′,6-二脒基-2-苯基吲哚。一种可与腺嘌呤结合的荧光染料–DNA中富含胸腺嘧啶的区域,用于免疫荧光检测中的细胞核染色 |
| DAPT | AdipoGen | AG-CR1-0016-M005 | γ-分泌酶抑制剂 |
| Dispase | Gibco | 17105-041 | 用于温和解离人iPSC的试剂 |
| DMEM/F12 | Sigma-Aldrich | D6421-500ML | 细胞培养基础培养基 |
| 多西环素 | Sigma-Aldrich | D9891-1G | 用于诱导 epB-Bsd-TT-NIL 和 epB-Bsd-TT-NIP 载体中转基因的表达 |
| DS2U | WiCell | UWWC1-DS2U | 商用人类iPSC细胞系 |
| E.Z.N.A 总RNA试剂盒 | Omega bio-tek | R6834-02 | 用于培养的真核细胞总RNA提取的试剂盒 |
| GDNF | PreproTech | 450-10 | 胶质细胞源性神经营养因子 |
| Gibco 附加体质粒 hiPSC 细胞系 | 赛默飞世尔科技 | A18945 | 商用人类iPSC细胞系 |
| Glutamax | 赛默飞世尔科技 | 35050038 | 一种比L-谷氨酰胺更稳定的替代物,可改善细胞健康。 |
| Hepes | Sigma-Aldrich | H4034 | 电生理溶液用化学品 |
| 用于RT-qPCR的iScript反转录超级混合液 | 伯乐(Bio-Rad) | 1708841 | 用于实时定量 PCR 的基因表达分析试剂盒 |
| iTaq™ Universal SYBR Green Supermix | Bio-Rad | 172-5121 | 即用型反应预混液,专为基于染料的定量PCR(qPCR)优化,适用于任何实时PCR仪器 |
| K-葡萄糖酸盐 | Sigma-Aldrich | G4500 | 电生理溶液用化学品 |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | 电生理溶液用化学品 |
| L-抗坏血酸 | LKT Laboratories | A7210 | 在细胞培养中用作抗氧化剂 |
| 层粘连蛋白 | Sigma-Aldrich | 11243217001 | 促进神经细胞在体外的贴附和生长 |
| 激光扫描共聚焦显微镜 | Olympus | iX83 FluoView1200 | 用于免疫染色图像采集的共聚焦显微镜 |
| Mg-ATP | Sigma-Aldrich | A9187 | 电生理溶液用化学品 |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | 电生理溶液用化学品 |
| 封片剂 | Ibidi | 50001 | 用于共聚焦显微镜和免疫荧光实验的封片液 |
| 多钳制膜片钳放大器 | Molecular Devices | 700B | 膜电流记录系统 |
| Na-GTP | Sigma-Aldrich | G8877 | 电生理溶液用化学品 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 71376 | 电生理溶液用化学品 |
| 非必需氨基酸 | 赛默飞世尔科技 | 11140035 | 非必需氨基酸。用作细胞培养基的补充剂,以促进细胞生长并提高细胞存活率。 |
| Neon 100 μL 型试剂盒 | 赛默飞世尔科技 | MPK10096 | 细胞电穿孔试剂盒 |
| Neon 转染系统 | 赛默飞世尔科技 | MPK5000 | 细胞电穿孔系统 |
| Neurobasal 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 21103049 | 专为长期维持和成熟神经元细胞群体而设计的基础培养基,无需使用星形胶质细胞饲养层 |
| NutriStem-XF/FF | 生物工业公司 | 05-100-1A | 人iPSC培养基 |
| 多聚甲醛 | 电子显微镜科学公司 | 157-8 | 用于免疫染色实验中的细胞固定 |
| PBS | Sigma-Aldrich | D8662-500ML | 含钙、含镁的杜尔贝科磷酸盐缓冲液 |
| PBS Ca2+/毫克2+ 自由 | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | 不含钙、不含镁的杜尔贝科磷酸盐缓冲液 |
| 青霉素/链霉素 | Sigma-Aldrich | P4333-100ML | 用于防止细胞培养中细菌污染的青霉素/链霉素溶液。 |
| 多聚鸟氨酸 | Sigma-Aldrich | P4957 | 促进神经细胞在体外的贴附和生长 |
| SU5402 | Sigma-Aldrich | SML0443-5MG | 血管内皮生长因子受体2(VEGFR-2)选择性抑制剂 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | 4-(1,1,3,3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇, 辛基苯基聚乙二醇,聚乙二醇 叔辛基苯基醚。用于免疫染色实验中的细胞通透化 |
| 直立显微镜 | Olympus | BX51VI | 用于电生理记录的显微镜,配备 CoolSnap Myo 相机 |
| Y-27632 (ROCK抑制剂) | Enzo Life Sciences | ALX-270-333-M005 | 细胞通透性Rho相关卷曲螺旋蛋白激酶(ROCK)选择性抑制剂。可提高诱导多能干细胞(iPSC)存活率 |
| μ-第8孔 | Ibidi | 80826 | 高支持–固定细胞的显微分析 |
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