我们描述了利用悬滴法将小鼠胚胎干细胞在体外分化为神经元细胞的实验步骤。此外,我们通过RT-qPCR、免疫荧光、RNA测序和流式细胞术进行了全面的表型分析。
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我们描述了利用悬滴法将小鼠胚胎干细胞在体外分化为神经元细胞的实验步骤。此外,我们通过RT-qPCR、免疫荧光、RNA测序和流式细胞术进行了全面的表型分析。
我们描述了将小鼠胚胎干细胞培养并分化为神经细胞系的逐步操作流程,随后通过一系列检测方法对已分化的细胞进行表征。采用E14小鼠胚胎干细胞,通过悬滴法形成拟胚体,随后使用视黄酸诱导其分化为神经前体细胞,最终进一步分化为神经元。定量 逆转录 聚合酶链式反应(RT-qPCR)和免疫荧光实验结果显示,在分化后第8天和第12天,神经前体细胞和神经元分别表达相应的标志物(神经前体细胞标志物为nestin,神经元标志物为neurofilament)。对携带Sox1启动子驱动GFP报告基因的E14细胞系进行流式细胞术分析表明,分化第8天约有60%的细胞呈GFP阳性,提示此阶段神经前体细胞已成功分化。最后,通过RNA-seq分析对全转录组的动态变化进行了系统性表征。这些方法可用于研究特定基因和信号通路在神经分化过程中调控细胞命运转变的作用。
自从小鼠囊胚发育阶段的内细胞团首次分离出小鼠胚胎干细胞(mESC)以来1,2,mESC 已被广泛用作研究干细胞自我更新与分化能力的有力工具3。此外,研究 mESC 的分化过程有助于深入理解分子机制,从而提高基于干细胞治疗神经退行性疾病等疾病的疗效与安全性4。与动物模型相比,这种体外系统具有诸多优势,包括操作和评估简便、维持细胞系的成本远低于动物饲养,以及遗传操作相对容易。然而,分化细胞类型的效率和质量常常受到不同 mESC 细胞系以及分化方法的影响5,6。此外,传统评估分化效率的方法依赖于对特定标志基因的定性检测,缺乏足够的稳健性,因而难以全面捕捉基因表达的整体变化。
本研究旨在利用一系列检测方法对神经元分化进行系统性评估。通过针对特定标志物的传统体外分析结合RNA测序(RNA-seq),我们建立了一个平台,用于测量分化效率以及该过程中转录组的动态变化。基于先前建立的方案7,我们采用悬滴法生成拟胚体(embryoid bodies, EBs),随后使用超生理浓度的视黄酸(retinoic acid, RA)诱导生成神经前体细胞(neural progenitor cells, NPCs),再通过神经诱导培养基将NPCs进一步分化为神经元。为评估分化效率,除传统的RT-qPCR和免疫荧光(immunofluorescence, IF)检测外,我们还进行了RNA-seq和流式细胞术分析。这些检测手段为阶段性特异性分化的进程提供了全面的评估。
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1. 小鼠胚胎干细胞培养
2. 胚状体、神经前体细胞及神经元分化
3. 小鼠胚胎干细胞及分化细胞的表征
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作为本方法的示例,我们对E14细胞进行了拟胚体(EB)、神经前体细胞(NPC)和神经元分化的实验。E14细胞在γ射线照射的MEF细胞上培养(图1A),直至γ射线照射的MEF细胞群体被稀释殆尽。我们通过碱性磷酸酶(AP)染色(图1B)以及后续的RT-qPCR检测 Nanog 和 Oct4 标志物(见下文)来确认E14细胞的多能性。随后,将去除γ射线照射MEF后的E14细胞按照图2A所示方案诱导分化。简言之,将含有500个细胞的20 µL分化培养基液滴接种于培养皿盖内表面(详见方案第2节)。形成的拟胚体被收集后转移至新鲜分化培养基中悬浮培养。在分化第4天至第8天期间,向培养皿中加入5 μM的视黄酸(RA)以诱导生成神经前体细胞。分化的拟胚体呈圆形,且在分化过程中体积持续增大(图2B)。在第8天,收集NPC并用胰酶消化,将获得的单细胞悬液接种于含N2添加剂的DMEM/F1...
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小鼠胚胎干细胞向神经细胞分化的实验方法已建立数十年,研究人员持续对以往的实验方案进行改进,或为不同目的开发新的方案7,10,11。我们采用一系列检测手段,全面分析小鼠胚胎干细胞向神经元分化各阶段的效率与进程,该方法也可用于分析小鼠或人胚胎干细胞向其他谱系的分化。此外,我们的方法已被证明是体外评估特定基因或信号通路对神经元分化影响的有效工具8。
通过我们的方法,经视黄酸(RA)处理的多能性未分化ESC可高效地定向分化为神经谱系,并进一步诱导生成神经元7。为了提高胚胎干细胞向神经细胞分化的成功率并降低异质性,保持胚胎干细胞处于未分化状态至关重要12。经γ射线照射或丝裂霉素C处理的非增殖性MEF可维持ESC的多能性,并为其生长提供支架支持
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作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)基金(1R35GM133496-01)对 Z. Gao 的资助。我们感谢 Ryan Hobbs 博士在切片方面的协助。感谢 宾夕法尼亚州立大学医学院的核心设施,包括基因组科学与生物信息学、高级光学显微镜 显微成像和流式细胞术。我们还要感谢 Dr. Yuka Imamura 感谢在RNA-seq分析方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05% 胰蛋白酶 + 0.53 mM EDTA 1× | 康宁 | 25-052-CV | |
| 0.1% 明胶 | Sigma | G1890-100G | 用去离子水配制 |
| 16% 甲醛 | 赛默飞世尔科技 | 28908 | 用1X PBS稀释 |
| 40-μm细胞滤筛 | Falcon | 352340 | |
| Albumax | 赛默飞世尔科技 | 11020021 | |
| AlexaFluor 488 山羊抗小鼠 IgG (H+L) | Invitrogen | A11001 | 抗体用于免疫荧光时按1:500稀释 |
| 碱性磷酸酶染色试剂盒 II | Stemgent | 00-0055 | |
| AzuraQuant Green Fast qPCR Mix LoRox | Azura Genomics | AZ-2105 | |
| B27 补充剂 | 赛默飞世尔科技 | 17504044 | |
| BD FACSCanto | BD | 657338 | |
| bFGF | Sigma | 11123149001 | |
| BioAnalyzer 高灵敏度 DNA 试剂盒 | 安捷伦 | 5067-4626 | |
| Chir99021 | Cayman Chemicals | 13122 | |
| 氯仿 | C298-500 | Fisher Chemical | |
| DAPI | Invitrogen | R37606 | |
| DMEM | 康宁 | 10-017-CM | |
| DMEM/F12 培养基 | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | |
| EB缓冲液 | Qiagen | 19086 | |
| 乙醇 | 111000200 | Pharmco | 用去离子水稀释 |
| 胎牛血清 | Atlanta Biologicals | S10250 | |
| Fisherbrand Superfrost Plus 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| HiSeq 2500 测序系统 | Illumina | SY-401-2501 | |
| 异丙醇 | BDH1133-4LG | BDH VWR 分析级 | 用去离子水稀释 |
| L-谷氨酰胺 | 赛默飞世尔科技 | 25030024 | |
| LIF | N/A | N/A | 来自 MEF 上清液收集 |
| m18srRNA 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-GCAATTATTCCCCATGAACG-3' 5'-GGCCTCACTAAACCATCCAA-3' |
| MEM 非必需氨基酸 | 康宁 | 25-025-Cl | |
| mNanog 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-AGGCTTTGGAGACAGTGAGGTG-3' 5'-TGGGTAAGGGTGTTCAAGCACT-3' |
| mNes 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-AGTGCCCAGTTCTAGTGGTGTCC-3' 5'-CCTCTAAAATAGAGTGGTGAGGGTTG-3' |
| mNeuroD1 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-CGAGTCATGAGTGCCCAGCTTA-3' 5'-CCGGGAATAGTGAAACTGACGTG-3' |
| mOct4 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-AGATCACTCACATCGCCAATCA-3' 5'-CGCCGGTTACAGAACCATACTC-3' |
| mPax6 引物 | IDTDNA | N/A | 5'-CTTGGGAAATCCGAGACAGA-3' 5'-CTAGCCAGGTTGCGAAGAAC-3' |
| N2 补充剂 | 赛默飞世尔科技 | 17502048 | |
| Nestin 一抗 | Millipore | MAB5326 | 抗体用于免疫荧光时按1:200稀释 |
| 神经基础培养基 | 赛默飞世尔科技 | 21103049 | |
| 神经丝蛋白一抗 | DSHB | 2H3 | |
| NEXTflex Illumina Rapid Directional RNA-Seq文库制备试剂盒 | BioO Scientific | NOVA-5138-07 | |
| PD0325901 | Cayman Chemicals | 13034 | |
| 青霉素/链霉素 | 康宁 | 30-002-Cl | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | N/A | N/A | 用去离子水配制 |
| 氯化钾 | P217-500G | VWR | |
| 无水磷酸二氢钾 | 0781-500G | VWR | |
| 氯化钠 | BP358-10 | Fisher Bioreagents | |
| - 磷酸氢二钠七水合物 | SX0715-1 | Millipore | |
| 随机六聚体引物 | 赛默飞世尔科技 | SO142 | |
| 视黄酸 | Sigma | R2625 | 在DMSO中配制 |
| 丙酮酸钠 | 康宁 | 25-000-Cl | |
| 蔗糖 | Sigma | 84097 | 用1×PBS稀释 |
| SuperScript III 逆转录酶 | Invitrogen | 18064022 | |
| Tissue-Tek O.C.T. 化合物 | Sakura | 4583 | |
| TriPure 提取试剂 | Sigma-Aldrich | 11667165001 | |
| TruSeq Rapid | Illumina | 20020616 | |
| β-巯基乙醇 | Fisher BioReagents | BP176-100 |
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