Hier stellen wir ein quantitatives und skalierbares Protokoll vor, um gezielte kleine Molekülbildschirme für Kinase-Regulatoren des naiv-grundierten pluripotenten Übergangs durchzuführen.
Methodenartikel
Hier stellen wir ein quantitatives und skalierbares Protokoll vor, um gezielte kleine Molekülbildschirme für Kinase-Regulatoren des naiv-grundierten pluripotenten Übergangs durchzuführen.
Embryonale Stammzellen (ESCs) können sich in alle Zelltypen selbst erneuern oder differenzieren, ein Phänomen, das als Pluripotenz bekannt ist. Es wurden ausgeprägte pluripotenten Zustände beschrieben, die als "naive" und "grundierte" Pluripotenz bezeichnet werden. Die Mechanismen, die den naiv-vorbereiteten Übergang kontrollieren, sind schlecht verstanden. Insbesondere bleiben wir schlecht über Proteinkinasen informiert, die naive und grundierte pluripotenten Zustände angeben, trotz der zunehmenden Verfügbarkeit von hochwertigen Werkzeugverbindungen zur Sonden-Kinase-Funktion. Hier beschreiben wir eine skalierbare Plattform, um gezielte kleine Molekülbildschirme für Kinase-Regulatoren des naiv-grundierten pluripotenten Übergangs in Maus-ESCs durchzuführen. Dieser Ansatz nutzt einfache Zellkulturbedingungen und Standardreagenzien, Materialien und Geräte, um Kinase-Inhibitoren mit bisher nicht geschätzten Effekten auf Pluripotenz aufzudecken und zu validieren. Wir diskutieren potenzielle Anwendungen für diese Technologie, einschließlich Screening von anderen kleinen MolekülSammlungen wie zunehmend anspruchsvolle Kinase-Inhibitoren und auftauchende Bibliotheken epigenetischer Werkzeugverbindungen.
Embryonale Stammzellen (ESCs) haben die Fähigkeit, sich selbst zu erneuern oder in jeden Zelltyp im erwachsenen Körper zu differenzieren, ein Phänomen, das als Pluripotenz bekannt ist. Der jüngste Beweis deutet darauf hin, dass entwicklungsbedingte pluripotenten Zustände existieren, die als "naive" und "grundierte" Pluripotenz bezeichnet werden. Naive ESCs repräsentieren einen Entwicklungszustand ähnlich dem, der im Präimplantationsembryo gefunden wurde 3 . Im Gegensatz dazu sind grundierte pluripotenten ESCs bereit, Pluralipotenz zu verlassen und in spezialisierte embryonische Linien 4 , 5 zu differenzieren.
Naive und grundierte pluripotenten Zustände sind durch unterschiedliche Genregulationsnetze gekennzeichnet. Naive Pluripotenz ist durch die Expression von Schlüsselpluripotenz-Transkriptionsfaktoren wie Nanog, Krueppel-artigen Transkriptionsfaktoren (Klfs), Rex1 2 und Esrrb charakterisiert 6 Bei Maus-ESCs (mESCs) ist die grundierte Pluripotenz durch eine reduzierte Expression von naiven Markern und einer spezifischen Genexpressions-Signatur charakterisiert, die die de novo DNA-Methyltransferase Dnmt3b 7 enthält . In vivo exprimieren die grundierten pluripotenten postimplantation epiblaststammzellen (EpiSCs) 4 , 5 zusätzlich den Epiblastmarker Fgf5 und Marker der Abstammungsgrundierung wie Brachyury 8 .
MESCs stellen ein tragbares Modell zur Verfügung, um Mechanismen zu untersuchen, die naiv-grundierte pluripotenten Übergänge in vitro kontrollieren. Bei der Kultivierung in Leukämie-Hemmfaktor (LIF) und fötalem Rinderserum (FBS) unterliegen mESCs einem dynamischen Übergang zwischen naiven und grundierten pluripotenten Zuständen 9 , 10 . LIF-Jak-Stat3-Signalisierungsfunktionen zur Förderung eines naiven Genregulationsnetzes 11 , während die autokrine Signalisierung über den Fibroblastenwachstumsfaktor 4 (Fgf4) Erk1 / 2-Weg den Übergang zum grundierten Zustand 12 überträgt. Allerdings bleibt es eine Herausforderung, die Rolle der Proteinkinasen bei der Festlegung unterschiedlicher pluripotenter Zustände systematisch zu bewerten.
Hier beschreiben wir eine quantitative und skalierbare Plattform, mit der gezielte kleine Molekülbildschirme für Kinase-Regulatoren des naiv-grundierten pluripotenten Übergangs durchgeführt werden können. Wir verwenden einfache mESC-Kulturbedingungen und Standardreagenzien, Materialien und Ausrüstung, um Kinase-Inhibitoren mit bisher unbekannter Fähigkeit zur Stabilisierung naiver Pluripotenz aufzudecken und zu validieren. Darüber hinaus diskutieren wir potenzielle erweiterte Anwendungen für diese Technologie, einschließlich für das Screening von anderen kleinen Molekülsammlungen wie auftauchende Inhibitorbibliotheken, die epigenetische Regulatoren ansprechen.
1. Sortierung von kleinen Molekül-Kinase-Inhibitor-Bibliotheken
2. mESC-Kulturbedingungen und -verfahren für die Screen-Vorbereitung
3. Kinase Inhibitor Screening Analyse
4. Analyse der Screen-Daten und Validierung von Inhibitoren als Bona Fide Pluripotency Regulatoren
HINWEIS: Dies ist ein kritischer Schritt, um sicherzustellen, dass nur bona fide Pluripotenzmodulatoren identifiziert werden. Es ist entscheidend für Triage-Inhibitoren, die sowohl auf Nanog: Dnmt3b-Verhältnis als auch auf Gesamtsignal basieren, um sicherzustellen, dass Kinase-Inhibitoren, die das MESC-Überleben negativ beeinflussen, nicht für eine weitere Analyse ausgewählt werden.
Mit dem hier vorgestellten Verfahren (Abbildung 1 ) werden die LINCS-Bibliothek von 228 potenten und selektiven Kinase-Inhibitoren zur Identifizierung von MESC-Pluripotenzen untersucht. Die Bibliothek wird in einer Konzentration von 0,1 mM für eine 1: 100-Verdünnung und endgültige Siebkonzentration von 1 & mgr; M in mESCs hergestellt. 48 h später wurden MESCs lysiert und Extrakte wurden für die quantitative Dot-Blot-Analyse der Nanog- und Dnmt3b-Expression vorbereitet (Abbildung 2 , oben). Ergebnisse aus anderen Screening-Konzentrationen sind hier nicht zur Kürze dargestellt. Nanog: Dnmt3b-Verhältnis wird für jeden Kinase-Inhibitor bestimmt und die Verbindungen werden eingestuft und ein 2x-Cut-off angewendet (Abbildung 2 , unten). Das Gesamt-Nanog- und Dnmt3b-Signal relativ zur Kontrolle wird auf die Inhibitor-Rangliste überlagert und einem 0,5-fachen Cut-off unterworfen, um ein Triaging von Inhibitoren zu ermöglichen, die eine signifikante MESC-Toxizität aufweisen. Wählen Sie Kinase-Inhibitoren, die die naive sta stabilisierenTe werden mit konventioneller Nanog / Dnmt3b-Immunoblotting validiert (Abbildung 3 ). Die primären Kinase-Targets dieser Inhibitoren sind in Tabelle 1 dargestellt. Wir zeigen auch die Anwendbarkeit dieses Bildschirms, um Inhibitoren zu identifizieren, die den grundierten Zustand stabilisieren 14 .

Abbildung 1: Workflow zum Screening von Kinase-Inhibitoren, die den naiv-primierten Übergang modulieren MESC wurden mit einer 228-Verbindungs-Kinase-Inhibitor-Bibliothek in einer Endkonzentration von 1 & mgr; M behandelt. Lysate wurden hergestellt und auf Nitrozellulosemembranen zur Immuno-Dot-Blot-Analyse transferiert und Nanog- und Dnmt3b-Spiegel bestimmt (Abbildung von Williams et al., 14 ). Bitte klicken Sie hier um al Arger Version dieser Figur.

Abbildung 2: Naive-grundierte Pluripotenz-Screen-Analyse und Inhibitor-Identifizierung. (Top) Repräsentative Nanog- und Dnmt3b-Immuno-Dot-Blot-Bilder. (Bottom) Nanog- und Dnmt3b-Werte für jeden Kinase-Inhibitor wurden relativ zu der DMSO-Kontrolle bestimmt, und Nanog: Dnmt3b-Verhältnisse und insgesamt relatives Nanog + Dnmt3b-Signal bestimmt und Inhibitoren im Vergleich zur DMSO-Kontrolle eingestuft. Inhibitoren gefunden, um Nanog zu ändern: Dnmt3b-Verhältnis über eine 2-fache Schwelle oberhalb oder unterhalb der DMSO-Kontrolle wurden als Treiber der naiven oder grundierten Pluripotenz identifiziert. Eine Schwelle von 2x unterhalb der DMSO-Kontrolle wurde auf Triage-Inhibitoren eingestellt, die das Überleben von MESC beeinträchtigen. Für die weitere Validierung ausgewählte Inhibitoren werden hervorgehoben. (Abbildung von Williams et al., 14 ).S / ftp_upload / 55515 / 55515fig2large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3: Validierung ausgewählter Trefferverbindungen identifiziert MESCs wurden entweder mit 1 & mgr; M AZD4547 (einem selektiven FGFR-Inhibitor) oder den angegebenen Inhibitoren, die aus dem Screen in Fig. 2 identifiziert wurden, behandelt. Nanog: Dnmt3b-Spiegel, bestimmt durch Standard-SDS-PAGE und Immunoblot-Analyse. Numerische Werte von relativen Nanog: Dnmt3b und Nanog + Dnmt3b sind in der nachstehenden Tabelle angegeben und Inhibitoren, die den naiven pluripotenten Zustand, der grün hervorgehoben ist, stabilisieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
| Verbindung | Primäre Ziele | Andere Ziele | |
| AV-951 | VEGFR | ||
| HG-6-64-01 | ABL, BRAF, RET, CSF1R, EGFR, EPHA8, FGFR, FLT3, KIT, LOK, MAP4K1, p38b, MUSK, PDGFR, TAOK3, TNNI3K | ||
| WH-4-023 | Lck | Src | |
| R406 | Syk | ||
| GW-572016 | HER2 | EGFR | |
| KIN001-244 | PDK1 | ||
| WZ-4-145 | CSF1R, DDR1, EGFR, TIE1, PDGFR2 | ||
| WZ-7043 | CSF1R, DDR1, FGFR und TAO1 | ||
| GW786034 | VEGFR1 | VEGFR2, VEGFR3 &# 160; | |
| AZD-1480 | JAK2 | ||
Tabelle 1: Ausgewählte Hit-Verbindungen und ihre primäre Kinase-Ziel (e).
Hier zeigen wir eine weit verbreitete Methodik, um die Rolle der Kinase-Signalwege bei der Regulierung des naiv-basierten pluripotenten Übergangs zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um eine zentrale Frage im ESC-Bereich. Obwohl Hochdurchsatz-Genomik- und Transkriptomikansätze routinemäßig zur Identifizierung von Schlüssel-Transkriptionsregulatoren naiver und grundierter pluripotenter Zustände verwendet werden, hat sich die Aufklärung von Pluripotenz-Signalisierungsnetzwerken als herausfordernd erwiesen. Wir stellen nun eine flexible Strategie zur Verfügung, die chemische Inhibitoren einsetzt, um Kinasen zu identifizieren, die den naiv-basierten pluripotenten Übergang in mESCs kontrollieren. Dies beruht auf einfachen Geräten, Reagenzien und Materialien, die für die meisten Laboratorien zur Verfügung stehen, die Zellsignalisierung und ESC-Biologie untersuchen. Kritisch für den Erfolg dieser Plattform ist unsere Entwicklung eines robusten Assays, um den Übergang zwischen naiven und grundierten pluripotenten Zuständen zu quantifizieren. Die Etablierung dieses Assays erforderte signifikante iterative Modifikationen an ZellplattDichte, Zeit der Inhibitor-Inkubation und Immunoblotting-Bedingungen.
Kleine Molekülansätze gewinnen Traktion für rationellen Einsatz in therapeutischen ESC-Anwendungen 15 , 16 . Eine wesentliche Stärke des kleinen Molekülscreens ist, dass Werkzeugverbindungen für eine effiziente zelluläre Aufnahme entworfen und / oder modifiziert werden. Die Transfektionseffizienz ist nicht beschränkend, und die Verwendung von gefährlichen Abgabesystemen wie Lentivirus ist nicht erforderlich. Darüber hinaus hemmen Inhibitoren häufig mehrere Isoformen innerhalb einer Kinase-Familie ( z. B. Fgfr1-4, Jak1-3), die eine funktionelle Redundanz überwindet, die genetische / genomische Interferenztechniken wie RNAi und CRISPR / Cas9 behindert. Da stärkere und selektive Werkzeugverbindungen sowohl aus akademischen als auch pharmazeutischen Wirkstoffforschungsprogrammen zur Verfügung stehen, werden unterschätzte und schlecht verstandene Kinasen an die Spitze der ESC-Forschung gelegt. Wir schlagen daher vor, dass diese hoch-thRoughput Screening-Ansatz eröffnet neue Wege der Forschung in Kern-ESC Regulierungsnetzwerke.
Eine geringfügige Einschränkung dieser Technologie ist, dass selbst die stärksten und selektivsten Molekülinhibitoren in vivo mehrere nicht verwandte Kinasen einspritzen und hemmen. Jedoch erlauben zunehmend umfassende Kinase-Inhibitor-Profiling-Daten, dass funktionelle Ziele von Kinase-Inhibitoren leicht identifiziert werden können (http://lincs.hms.harvard.edu/kinomescan; http://www.kinase-screen.mrc.ac.uk/kinase -Inhibitoren). Schließlich kann grundsätzlich unsere Plattform angewendet werden, um jeden kleinen Molekülsammel- und / oder zellulären Assay abzufragen, für den qualitativ hochwertige Immunoblotting-Antikörper verfügbar sind. Dies ermöglicht die Untersuchung mehrerer regulatorischer Systeme in der Pluripotenzregulation und erleichtert die Identifizierung von kleinen Molekülinhibitoren, die verschiedene zelluläre Prozesse modifizieren. Speziell sehen wir die Anwendung von aufkommenden kleinen Molekülsammlungen wie dem EpigenTic-Sonden, die vom Structural Genomics Consortium (http://www.thesgc.org/chemical-probes/epigenetics) entwickelt wurden, haben das Potenzial, weitere neuartige Regulatoren von pluripotenten Übergängen aufzudecken.
Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte aus dieser Studie.
CACW wird von einem Doktorand des Medical Research Council unterstützt. GMF wird teilweise von einem Medical Research Council New Investigator Award (MR / N000609 / 1) und einem Tenovus Scotland Forschungsstipendium unterstützt.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| mESC media | |||
| CCE mESCs | ATCC | ATCC SCRC-1023 | |
| DMEM Media | Gibco | 11965092 | |
| L-Glutamin | Gibco | 25030081 | Finale: 2 mM |
| Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140122 | Finale: 50 U/ml |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma | M6250 | Finale: 0,1 mM |
| Leukämie-Hemmfaktor (GST-Fusion) | MRC-PPU Reagenzien und Dienstleistungen | Final: 100 ng/ml | |
| Leukämie-Hemmfaktor | Thermo | PMC9484 | Final: 100 ng/ml |
| nicht-essentielle Aminosäuren | Gibco | 11140050 | Finale: 0,1 mM |
| Natriumpyruvat | Gibco | 11360070 | Finale: 1 mM |
| KnockOut-Serumersatz | Invitrogen | 10828-028 | Final: 5% |
| definiertes fötales Rinderserum | Fisher | 10703464 | Finale: 10% |
| Name | <>Company | Katalognummer | Kommentare |
| TC-Materialien | |||
| Trypsin-EDTA (0,05%), phenolrot | Thermo | 25300054 | |
| Gelatine aus Schweinehaut | Sigma | 1890 | |
| Nunc MicroWell 96-Well Microplatten | Thermo | 156545 | |
| DPBS, kein Calcium, kein Magnesium | Gibco | 14190136 | |
| V-Boden 96 Well Platten | Greiner Bio-one | 651261 | |
| Name | Company< | strong>Katalognummer | Kommentare |
| >LysepufferTris-Puffer | |||
| VWR | 103157P | ||
| Natriumchlorid | VWR | 97061 | |
| EDTA | Sigma | E4884 | |
| 1% NP-40 | Sigma | 9016-45-9 | |
| Natrium Desoxycholat | Sigma | D6750-100g | |
| β-Glycerophosphat | Sigma | G9422 | |
| Natriumpyrophosphat | Sigma | 13472-36-1 | |
| Natriumfluorid | Sigma | 450022 | |
| Natriumorthovanadat | Sigma | 450243 | |
| Roche Complete Protease Inhibitor Cocktail Tabletten | Sigma | CO-RO | |
| strong>Name | Unternehmen | Katalognummer | <>Kommentare |
| Chemicals | |||
| Tween | Sigma | P1379-1L | |
| Milchpulver | Marvel | ||
| Name | Unternehmen | <>Katalognummer | Kommentare |
| Western Blotting | |||
| Protran BA 85 Nitrocellulose 0,45 &m³; M Porengröße (20 cm x 20 cm Bogen) (25 Blatt) | GE | 10401191 | |
| Ponceau S | Sigma | P7170-1L | |
| Name | Firma | Katalognummer | Kommentare |
| >Laborgeräte | |||
| Minifold I System | GE | 10447850 | |
| ChemiDoc Imager | BioRad | 1708280 | |
| LiCor Odyssey Imager | LiCor | ||
| Name | Company | Katalognummer | > |
| Antikörper | |||
| Anti-Maus | Nanog Reprocell | RCAB001P | |
| Anti-Dnmt3b | Imgenex | IMG-184A | |
| IRDye 800CW Esel Anti-Kaninchen | Licor | 926-32213 | |
| Anti-Maus-HRP | Zellsignaltechnologie | 7076S | |
| Anti-Klf2 | Millipore | 09-820 | |
| Anti-Klf4 | R& D Systems | AF3158 | |
| Anti-Oct4 | Santa Cruz | SC-5279 |
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