我们介绍了一种利用Hoxb5报告系统分离长期造血干细胞(LT-HSCs)和短期造血干细胞(ST-HSCs)的逐步实验方案。
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我们介绍了一种利用Hoxb5报告系统分离长期造血干细胞(LT-HSCs)和短期造血干细胞(ST-HSCs)的逐步实验方案。
自我更新能力和多谱系分化潜能通常被认为是造血干细胞(HSCs)的定义性特征。然而,大量研究表明,HSC细胞室中存在功能异质性。近期的单细胞分析报道了在HSC细胞室中具有不同细胞命运的HSC克隆,这些克隆被称为偏向性HSC克隆。目前对导致这些异质性或可重复性差的结果背后的机制仍知之甚少,尤其是在通过传统免疫染色方法移植纯化的HSC组分时,其自我更新持续时间的相关机制尚不明确。因此,建立一种可重复的方法来分离长期HSC(LT-HSCs)和短期HSC(ST-HSCs), 即根据其自我更新持续时间来定义这两类细胞,对于解决这一问题至关重要。通过无偏倚的多步骤筛选,我们鉴定出一个转录因子Hoxb5,它可能是小鼠造血系统中LT-HSCs的特异性标志物。基于这一发现,我们构建了Hoxb5报告基因小鼠品系,并成功分离出LT-HSCs和ST-HSCs。本文详细描述了利用Hoxb5报告系统分离LT-HSCs和ST-HSCs的实验方案。该分离方法将有助于研究人员更深入地理解HSC细胞室中自我更新机制及其异质性的生物学基础。
造血干细胞(HSCs)具有自我更新能力和多向分化潜能,位于造血 hierarchy 的顶端1,2。1988年,Weissman 及其同事首次证明可通过流式细胞术分离小鼠 HSCs3。随后,有研究报道,通过一组细胞表面标志物组合定义的细胞亚群——Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/loFlk2−——包含小鼠体内全部的 HSCs4,5,6,7,8。
免疫表型定义的(Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/loFlk2−)造血干细胞(以下简称 pHSCs)曾被认为在功能上是均一的。然而,近期的单细胞分析表明,pHSCs 在自我更新能力9,10 和多能性11,12 方面仍存在异质性。具体而言,在 pHSC 群体中似乎存在两种具有不同自我更新能力的细胞亚群:长期造血干细胞(LT-HSCs),具有持续的自我更新能力;以及短期造血干细胞(ST-HSCs),具有短暂的自我更新能力9,10。
迄今为止,区分长期造血干细胞(LT-HSCs)和短期造血干细胞(ST-HSCs)的自我更新能力的分子机制仍不清楚。根据这两种细胞群体的自我更新能力对其进行分离,并揭示其潜在的分子机制,具有重要意义。已有多种报告系统被用于富集长期造血干细胞13,14,15;然而,不同报告系统所定义的长期造血干细胞纯度存在差异,迄今为止尚未实现长期造血干细胞的完全特异性纯化。
因此,建立一种分离LT-HSC和ST-HSC的系统将加速对pHSC组分中自我更新能力的研究。在LT-HSC和ST-HSC的分离过程中,一项采用多步骤、无偏筛选的研究鉴定出一个在pHSC组分中呈异质性表达的单个基因Hoxb516。此外,对Hoxb5报告基因小鼠的骨髓分析显示,pHSC组分中约有20%–25%为Hoxb5pos细胞。利用Hoxb5pos pHSC与Hoxb5neg pHSC进行的竞争性移植实验表明,仅有Hoxb5pos pHSC具备长期自我更新能力,而Hoxb5neg pHSC在短期内即丧失自我更新能力,提示Hoxb5可识别pHSC组分中的LT-HSC16。
本文中,我们演示了使用Hoxb5报告系统分选长期造血干细胞(LT-HSCs)和短期造血干细胞(ST-HSCs)的逐步实验方案。此外,我们介绍了一种竞争性移植实验,用于评估Hoxb5pos/neg 表型造血干细胞(pHSCs)的自我更新能力(图1)。该Hoxb5报告系统使我们能够前瞻性地分离LT-HSCs和ST-HSCs,有助于深入理解LT-HSC特异性特征。
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所有所述动物实验均已获得理化学研究所生物系统动力学研究中心的批准。
1. 受体小鼠的预处理
2. 供体骨髓细胞的收集
3. 通过磁性分选分离 c-kit+ 细胞
4. 造血干细胞染色
5. 支持细胞的制备
6. Hoxb5pos 或 Hoxb5neg pHSC 分选
7. 移植
8. 外周血分析
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此前,自我更新能力通常通过竞争性移植实验进行测定,其中认为只有当在受体外周血中观察到多谱系的供体细胞时,供体造血干细胞(HSCs)才保留了其自我更新能力17。此外,已有若干研究报告将长期造血干细胞(LT-HSCs)定义为在第二次骨髓移植后数月仍能持续产生外周血细胞的细胞10,18。因此,为了比较其自我更新能力,将从Hoxb5报告小鼠中分离的10个Hoxb5pos或Hoxb5neg初代造血干细胞(pHSCs)与2 × 105个全骨髓细胞共同移植至致死剂量 irradiated 的初级受体小鼠体内。随后,在初次移植16周后,将初级受体小鼠骨髓中分离的1 × 107个骨髓细胞移植至致死剂量 irradiated 的次级受体小鼠体内,以评估其长期自我更新能力(图1)。图2
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传统上,人们通过细胞表面标志物来分离造血干细胞(HSCs),以研究其功能,例如自我更新能力和多向分化潜能19,20,21。然而,基于免疫表型定义的HSC群体(Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/loFlk2−)实际上包含两种不同的HSC亚群:长期造血干细胞(LT-HSCs)和短期造血干细胞(ST-HSCs)9,10。因此,目前尚未实现对真正意义上的HSC——即LT-HSCs——的特异性分析。因此,利用Hoxb5报告系统分离LT-HSCs的方法将极大促进对自我更新能力分子机制的探索。
本...
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作者声明本研究无任何利益冲突。
我们衷心感谢日本理化学研究所生物发育研究中心(RIKEN BDR)的Hiroshi Kiyonari在动物饲养及提供受体小鼠方面的帮助,同时也感谢神户大学的Hitomi Oga、Kayoko Nagasaka和Masaki Miyahashi在实验室管理方面的工作。作者们还非常感谢各方对本研究工作的持续支持。宫西正德获得了日本学术振兴会(JSPS)科研费补助金(JP17K07407 和 JP20H03268)、Mochida 医药研究纪念财团、日本生命科学基金会、武田科学振兴财团、安斯泰来代谢疾病研究财团以及日本医疗研究开发机构(AMED)PRIME项目(资助编号 JP18gm6110020)的支持。坂巻太郎获得了日本学术振兴会(JSPS)科研费补助金(JP21K20669 和 JP22K16334)的支持,并曾获得JSPS核心-核心计划及理化学研究所青年研究者项目的支持。西克之获得了日本学术振兴会(JSPS)科研费补助金(JP18J13408)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2 mL 8联管,凸盖 | SSIbio | 3230-00 | |
| 0.5M EDTA pH 8.0 | Iinvtrogen | AM9260G | |
| 100 µm 细胞筛 | Falcon | 352360 | |
| 30G 胰岛素注射器 | BD | 326668 | |
| 40 µm 细胞筛 | Falcon | 352340 | |
| 5 mL 圆底聚苯乙烯试管,带细胞筛 snap cap | FALCON | 352235 | |
| 7-AAD 活性染色液 | BioLegend | 420404 | |
| 96孔U型底板 | FALCON | 351177 | |
| Anti-APC-MicroBeads | Milteny biotec | 130-090-855 | |
| 带捕集瓶的抽吸装置 | Biosan | FTA-1 | |
| B220-Alexa Fluor 700 (RA3-6B2) | BioLegend | 103232 | |
| B220-Biotin (RA3-6B2) | BioLegend | 103204 | |
| B220-BV786 (RA3-6B2) | BD Biosciences | 563894 | |
| B6.CD45.1 同源小鼠 | Sankyo Labo Service | N/A | |
| Baytril 10% | BAYER | 341106546 | |
| BD FACS Aria II 特殊订购系统 | BD | N/A | |
| Brilliant 染色缓冲液 | BD | 566349 | |
| CD11b-Alexa Fluor 700 (M1/70) | BioLegend | 101222 | |
| CD11b-Biotin (M1/70) | BioLegend | 101204 | |
| CD11b-BUV395 (M1/70) | BD Biosciences | 563553 | |
| CD11b-BV711 (M1/70) | BD Biosciences | 563168 | |
| CD127-Alexa Fluor 700 (A7R34) | Invitrogen | 56-1271-82 | |
| CD150-BV421 (TC15-12F12.2) | BioLegend | 115943 | |
| CD16/CD32-Alexa Fluor 700 (93) | Invitrogen | 56-0161-82 | |
| CD34-Alexa Fluor 647 (RAM34) | BD Biosciences | 560230 | |
| CD34-FITC (RAM34) | Invitrogen | 11034185 | |
| CD3-Alexa Fluor 700 (17A2) | BioLegend | 100216 | |
| CD3ε -Biotin (145-2C11) | BioLegend | 100304 | |
| CD3ε -BV421 (145-2C11) | BioLegend | 100341 | |
| CD45.1/CD45.2 同源小鼠 | N/A | N/A | 本实验室繁育 |
| CD45.1-FITC (A20) | BD Biosciences | 553775 | |
| CD45.2-PE (104) | BD Biosciences | 560695 | |
| CD4-Alexa Fluor 700 (GK1.5) | BioLegend | 100430 | |
| CD4-Biotin (GK1.5) | BioLegend | 100404 | |
| CD8a-Alexa Fluor 700 (53-6.7) | BioLegend | 100730 | |
| CD8a-Biotin (53-6.7) | BioLegend | 100704 | |
| 15 ml 离心管 | NICHIRYO | 00-ETS-CT-15 | |
| 50 ml 离心管 | NICHIRYO | 00-ETS-CT-50 | |
| c-Kit-APC-eFluor780 (2B8) | Invitrogen | 47117182 | |
| D-PBS (-),不含 Ca 和 Mg,液体 | Nacalai | 14249-24 | |
| 胎牛血清 | Thermo Fisher | 10270106 | |
| Flk2-PerCP-eFluor710 (A2F10) | eBioscience | 46135182 | |
| FlowJo 版本 10 | BD Biosciences | https://www.flowjo.com/solutions/flowjo | |
| Gmmacell 40 Exactor | Best theratronics | N/A | |
| Gr-1-Alexa Fluor 700 (RB6-8C5) | BioLegend | 108422 | |
| Gr-1-Biotin (RB6-8C5) | BioLegend | 108404 | |
| Hoxb5-tri-mCherry 小鼠(C57BL/6J 背景) | N/A | N/A | 本实验室繁育 |
| 大鼠血清来源 IgG,技术级,>=80% (SDS-PAGE),缓冲水溶液 | Sigma-Aldrich | I8015-100MG | |
| 异氟烷 | Pfizer | 4987-114-13340-3 | |
| Kimwipes S200 | NIPPON PAPER CRECIA | 6-6689-01 | |
| LS 柱 | Milteny biotec | 130-042-401 | |
| 裂解缓冲液 | BD | 555899 | |
| MACS MultiStand | Milteny biotec | 130-042-303 | |
| 组织培养用多孔板(贴壁细胞用)6孔 | IWAKI | 3810-006 | |
| MidiMACS 分离器 | Milteny biotec | 130-042-302 | |
| 小鼠 Pie 笼 | Natsume Seisakusho | KN-331 | |
| 多功能冷冻离心机 | TOMY | EX-125 | |
| NARCOBIT-E (II) | Natsume Seisakusho | KN-1071-I | |
| NK-1.1-PerCP-Cy5.5 (PK136) | BioLegend | 108728 | |
| 青霉素-链霉素混合溶液 | nacalai | 26253-84 | |
| 瓷研钵 φ120mm 带研杵 | Asone | 6-549-03 | |
| Protein LoBind 1.5 mL 管 | Eppendorf | 22431081 | |
| Sca-I-BUV395 (D7) | BD Biosciences | 563990 | |
| 不锈钢手术刀片 | FastGene | FG-B2010 | |
| 链霉亲和素-BUV737 | BD Biosciences | 612775 | |
| SYTOX-red | Invitrogen | S34859 | |
| 小鼠尾静脉固定器(标准型) | Braintree | TV-150 STD | |
| TCRb-BV421 (H57-597) | BioLegend | 109230 | |
| Ter-119-Alexa Fluor 700 (TER-119) | BioLegend | 116220 | |
| Ter-119-Biotin (TER-119) | BioLegend | 116204 | |
| Terumo 5 ml 同轴鲁尔滑动注射器 | TERUMO | SS-05LZ | |
| Terumo 皮下注射针头 23G x 1 | TERUMO | NN-2325-R |
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