このプロトコルは、誘導性 piggyBac ベクターからの転写因子を異所的に発現することによって、脊髄または頭蓋の同一性を有する運動ニューロンへの誘発多能性幹細胞の迅速かつ効率的な変換を可能にする。
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方法論記事
このプロトコルは、誘導性 piggyBac ベクターからの転写因子を異所的に発現することによって、脊髄または頭蓋の同一性を有する運動ニューロンへの誘発多能性幹細胞の迅速かつ効率的な変換を可能にする。
ここではヒト誘導多能性幹細胞 (iPSCs) から機能的脊髄および頭蓋運動ニューロンを得る方法について述べる。運動ニューロンへの直接変換は、転写因子、すなわち Ngn2、Isl1 および Lhx3 (NIL) または Ngn2、Isl1 および Phox2a (ニップ) の代替モジュールの異所性発現によって得られる。NIL およびニップは、それぞれ、脊髄および頭蓋運動ニューロン同一性を指定する。私たちのプロトコルは、piggyBac トランスポゾンベクターを介して、NIL またはニップがゲノム内に安定して統合される修飾 iPSC 線の生成から始まる。トランスジーンの発現は、その後、ドキシサイクリンおよびリードによって誘発され、5日で、iPSCs の MN 前駆細胞への転化に移行する。その後の成熟は、7日間、脊椎または頭蓋の MNs の均質な集団をもたらす。私たちの方法は、以前のプロトコルよりもいくつかの利点を保持します: それは非常に迅速かつ単純化されます。これは、ウイルス感染またはさらに MN 分離を必要としません;これは、アクション電位の列車を発射する能力によって示されるように、成熟の顕著な程度で異なる MN 亜集団 (脊髄および頭蓋) を生成することができます。さらに、混合集団から精製することなく多数の運動ニューロンを得ることができる。iPSC 由来の脊髄および頭蓋運動ニューロンは、筋萎縮性側索硬化症および運動ニューロンの他の神経変性疾患のインビトロモデリングに使用することができる。同種運動ニューロン集団は、細胞型特異的薬物スクリーニングのための重要な資源を表すかもしれない。
運動ニューロン (MN) 変性は、筋萎縮性側索硬化症 (ALS) や脊髄筋萎縮 (SMA) などのヒト疾患において原因となる役割を果たしている。ヒト MN の複雑性を不在するインビトロ細胞モデルシステムを確立することは、新しい治療アプローチの開発に向けた重要なステップである。顕著な plurilineage 分化特性を授けられている誘導多能性幹細胞 (iPSCs) は、現在、運動ニューロン疾患1,2によって影響を受ける多くの患者に由来している。MN 疾患に関連した病原性変異を運ぶ付加的な iPSC 線は、遺伝子編集によって生成されており、制御「健常な」多能性幹細胞3から始まる。これらの線は、インビトロ疾患モデリングおよび薬物スクリーニングのための有用なツールを表し、MNs への iPSC 分化のための適切な方法が利用可能であることを提供する。この方法の開発の背後にある理論的根拠は、成熟した機能 MNs を生み出す高速かつ効率的な分化プロトコルで MN 疾患に興味を持って科学的なコミュニティを提供することです。この方法の最初の利点は、実行の時間枠です。強度の別の関連するポイントは、任意の精製工程の排除から来ています。最後に、プロトコルは、運動ニューロンの2つの異なる集団を生成するために使用することができます。
MNs の異なるサブタイプを生成する可能性は、特に MN 疾患のモデル化に関連している。すべての MN 亜型は、ALS および SMA において同様に脆弱であり、異なる運動単位での症状の発症は、予後に大きく影響する。ALS において、上肢および下肢において始まる症状を伴う脊髄発症は、約3-5 年で死に至る4.逆に、球性発症は、頭蓋 MNs の変性から始まり、最悪の予後を有する。さらに、球性発症の割合は、SOD1 変異5を有する個体に比べて RNA 結合タンパク質 FUS および TDP-43 の突然変異を有する患者において有意に高い。代替 MN 分化プロトコールのほぼ全体は、レチノイン酸 (RA) の活性に依存しており、iPSCs6、7、8の鑑別に脊髄特性を付与する。これは、特定の MN 亜型9,10で保護することができる内因性因子を研究する可能性を制限します。
マウス胚性幹細胞11における以前の作業と一致して、我々は最近、ヒトの iPSCs 異所の Ngn2、Isl1 および LHX3 (NIL) が脊髄 MN 同一性を誘導するのに、Ngn2 および Isl1 プラス PHOX2A(ニップ) を頭蓋 MNs を指定することを示した。従って私達はそれ故に12日の転換の機能特性と恵まれた人間の MNs の生産に導く有効な議定書を開発した。この方法の目的は、短時間で、精製を必要とせずに (例えば、FACS によって) 得ることであり、細胞集団は脊髄または頭蓋の同一性を有する MNs に対して高度に濃縮された。
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1. 人間の iPSCs の維持
2. NIL およびニップ誘導性 iPSC 線の生成
3. 運動ニューロン分化
4. 免疫染色分析
5. パッチクランプによる機能評価
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この分化方法の概略説明を図 1に示す。ヒト iPSCs (WT I ライン3) は、EpB-BSD-TT-NIL または EpB-BSD-TT-ニップを用いてトランスフェクトし、ブラスチシジン選択に際して、安定かつ誘導的な細胞株12を、それぞれ iPSC-NIL および iPSC-ニップと称する。分化細胞は、多能性マーカー OCT4 と汎神経マーカー TUJ1 の発現について特徴付けられた。免疫染色分析は、0日目に全ての細胞における OCT4 の均一な発現を示したが、TUJ1 陽性の非存在下である (図 2A)。3日目に、iPSCs 分化のサブセットにおいて TUJ1 の発現によってミラーリングされた OCT4 陽性細胞数の強い減少を観察した (図 2B)。5日目において、母集団において OCT4 ...
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このプロトコルは、系統特異的転写因子の異所性発現のおかげで、ヒト iPSCs を脊髄および頭蓋運動ニューロンに効率的に変換することを可能にする。これらのトランスジーンはドキシサイクリンによって誘導され、piggyBac のトランスポゾンベースのベクターのおかげでゲノムに安定的に組み込まれる。混合集団では、piggyBac ベクターの1つまたは複数のコピーが個々の細胞のゲノムにランダムに統合され、ゲノム完全性の変化のリスクが増大する。さらに、iPSC subclones の進行性の選択は、経時的に起こり、疾患および対照細胞株の分化および比較分析のための起こり得る結果を伴う。全体として、このプロトコルで得られた iPSC 由来の MNs は再生医療には不向きであろう。しかしながら、我々の方法は、インビトロ運動ニューロン疾患モデリングに特に有用であり得る。強度の主なポイントは、非常に単純化された培養条件、MN 変換の迅速性、iPSC 由来の MNs の成熟度および脊椎および頭蓋の MNs の両方を得る可能性によって表される、前述のように発現12の特異的マーカー遺伝子の解析。プロトコルの堅牢性は、...
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著者は何も開示することはありません
著者は、サポートと技術的なアドバイスのための生命ナノサイエンス、Istituto イタリアディ Tecnologia のためのセンターでイメージング施設に感謝したいと思います。私たちは、有益な議論のための生命ナノ科学センターのメンバーに感謝しています。この作業は、AriSLA (パイロットグラント 2016 "StressFUS") から AR への助成金によって部分的にサポートされました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 電気生理学的解決策のための | 5-バプタ | シグマ-アルドリッチ | A4926-1G |
| アキュターゼ | シグマ-アルドリッチ | A6964-100ML | 細胞解離試薬 |
| アンチCHAT | EMDミリポア | AB144P | 抗コリンアセチルトランスフェラーゼ。免疫染色アッセイに使用される一次抗体。RRID:AB_2079751;ロット番号: |
| 2971003アンチヤギAlexa Fluor 488 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A11055 | 非単蛍光アッセイに使用される二次抗体。RRID:AB_2534102;ロットナンバー:1915848 |
| 抗マウス Alexa Fluor 647 | Thermo Fisher Scientific | A31571 | 非単蛍光アッセイに使用される二次抗体。RRID:AB_162542;ロットナンバー: |
| 1757130アンチOct4 | BD Biosciences | 611202 | 免疫染色アッセイに使用される一次抗体です。RRID:AB_398736;ロットナンバー:5233722 |
| anti-Phox2b | Santa Cruz Biotechnology, Inc. | sc-376997 | 免疫染色アッセイに使用される一次抗体。ロットナンバー:E0117 |
| anti-rabbit Alexa Fluor 594 | Immunological Sciences | IS-20152-1 | 単蛍光アッセイに用いる二次抗体 |
| シグマ・アルドリッチ | T2200 | 免疫染色アッセイに使用される一次抗体。RRID: AB_262133 | |
| B27 | Miltenyi Biotec | 130-093-566 | 神経細胞維持のための無血清サプリメント |
| バンバンカー | 日本遺伝学 | NGE-BB02 | 運動ニューロン前駆細胞にここで使用される細胞凍結培地 |
| BDNF | PreproTech | 450-02 | 脳由来神経栄養因子 |
| ブラストサイジン | Sigma-Aldrich | 203350 | 原核生物および真核生物BSA |
| シグマアルドリッチ | A2153 | ウシ血清アルブミンにおけるタンパク質合成を阻害するヌクレオシド系抗生物質。免疫染色アッセイにおける抗体の非特異的結合を防止するブロッキング剤 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 生理学的溶液用 | C3881 |
| Clampex 10ソフトウェア | Molecular Devices | Clampex 10 | 膜電流記録システム |
| Corning Matrigel hESC認定マトリックス | Corning | 354277 | Engelbreth-Holm-Swarm(EHS)マウス肉腫からの再構成基底膜調製物。プラスチックやガラスサポートへのiPS細胞の接着に使用 |
| CRYOSTEM ACF FREEZING MEDIA | バイオロジカルインダストリーズ | 05-710-1E | ヒトiPS細胞用凍結培地 |
| D-グルコース | Sigma-Aldrich | G5146 | 電気生理学的溶液用化学薬品 |
| DAPIパウダー | ロシュ | 10236276001 | 4′、6-ジアミジノ-2-フェニルインドール。アデニンに結合する蛍光染色。DNA中のチミンリッチ領域 非一蛍光アッセイにおける核染色に使用 |
| DAPT | AdipoGen | AG-CR1-0016-M005 | ガンマセクレターゼ阻害剤 |
| ディスパーゼ | Gibco | 17105-041 | ヒトiPS細胞の穏やかな解離のための試薬 |
| DMEM/F12 | Sigma-Aldrich | D6421-500ML | 細胞培養用基礎培地 |
| Doxycycline | Sigma-Aldrich | D9891-1G | epB-Bsd-TT-NILおよびepB-Bsd-TT-NIPベクターからの導入遺伝子の発現を誘導するために使用 |
| DS2U | WiCell | UWWC1-DS2U | 市販のヒトiPS細胞株 |
| E.Z.N.A Total RNA Kit | Omega bio-tek | R6834-02 | 培養真核細胞からのRNA全抽出キット |
| GDNF | PreproTech | 450-10 | グリア由来神経栄養因子 |
| Gibco Episomal hiPSCライン | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A18945 | 市販のヒトiPS細胞ライン |
| グルタマックス | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 35050038 | L-グルタミンの代替品で、安定性が向上しています。細胞の健康を改善します。 |
| Hepes | Sigma-Aldrich | H4034 | 電気生理学的溶液用化学薬品 |
| iScript RT-qPCR 用 iScript 逆転写スーパーミックス | バイオ・ラッド | 1708841 | キット リアルタイム qPCR |
| iTaqTM Universal SYBR Green Supermix | バイオ・ラッド | 172-5121 | あらゆるリアルタイムPCR装置での色素ベースの定量PCR(qPCR)に最適化された、すぐに使用できる反応マスターミックス |
| K-グルコン酸 | Sigma-Aldrich | G4500 | 電気生理液用化学薬品 |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9333 | 電気生理学的溶液用薬品 |
| L-アスコルビン酸 | LKT Laboratories | A7210 | 細胞培養に抗酸化物質として使用 |
| ラミニン | Sigma-Aldrich | 11243217001 | in vitro 神経細胞の付着と増殖を促進します |
| レーザー走査型共焦点顕微鏡 | オリンパス | iX83 FluoView1200 | 免疫染色画像取得用共焦点顕微鏡 |
| Mg-ATP | Sigma-Aldrich | 生理液用 | A9187 |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 電気 | 生理液用薬品 |
| 封入剤 | 同上 | 50001 | 共焦点顕微鏡および免疫蛍光アッセイに使用されるマウンティングソリューション |
| マルチクランプパッチクランプアンプ | モレキュラーデバイス | 700B | 膜電流記録システム |
| Na-GTP | Sigma-Aldrich | G8877 | 電気生理学的溶液用化学薬品 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 71376 | 電気生理学的溶液用化学薬品 |
| NEAA | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 11140035 | 非必須アミノ酸。細胞増殖と生存率を高めるために、細胞培養培地のサプリメントとして使用されます。 |
| ネオン100 μLキット | サーモフィッシャーサイエンティフィック | MPK10096 | 細胞エレクトロポレーションキット |
| ネオントランスフェクションシステム | サーモフィッシャーサイエンティフィック | MPK5000 | セルエレクトロポレーションシステム |
| ニューロベースル培地 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 21103049 | アストロサイトフィーダー層を必要とせずに、ニューロン細胞集団の長期維持と成熟のために設計された基礎培地 |
| NutriStem-XF/FF | 生物産業 | 05-100-1A | ヒトiPS細胞培養培地 |
| パラホルムアルデヒド | 電子顕微鏡科学 | 157-8 | 免疫染色アッセイにおける細胞固定に使用 |
| PBS | Sigma-Aldrich | D8662-500ML | ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水、カルシウム、マグネシウム |
| PBS Ca2+/Mg2+フリー | Sigma-Aldrich | D8537-500ML | ダルベッコリン酸緩衝生理食塩水、カルシウムなし、マグネシウム |
| ペニシリン/ストレプトマイシンなし | Sigma-Aldrich | P4333-100ML | ペニシリン/ストレプトマイシン溶液は、細菌による細胞培養汚染を防止するために使用されます。 |
| ポリオルニチン | Sigma-Aldrich | P4957 | in vitro 神経細胞の付着と増殖を促進する |
| SU5402 | Sigma-Aldrich | SML0443-5MG | 血管内皮増殖因子受容体2の選択的阻害剤 (VEGFR-2) |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | 4-(1,1,3,3-テトラメチルブチル)フェニルポリエチレングリコール, t-オクチルフェノキシポリエトキシエタノール、ポリエチレングリコール tert-オクチルフェニルエーテル。免疫染色アッセイにおける細胞透過処理に使用 |
| 正立顕微鏡 | オリンパス | BX51VI | 電気生理学的記録用顕微鏡 CoolSnap Myoカメラ搭載 |
| Y-27632 (ROCK阻害剤) | エンツォライフサイエンス | ALX-270-333-M005 | Rho関連コイルドコイル含有プロテインキナーゼ(ROCK)の細胞透過性選択的阻害剤。iPS細胞の生存率を伸ばす |
| μ-スライド8 Well | 同上 | 80826 | 高&ndashのサポート。固定細胞の顕微鏡分析を終了 |
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