이 프로토콜은 AAVS1 에 독시사이클린 유도성 전형전동유전자를 통합하여 인간 유도 다능성 줄기세포로부터 GABA 신경세포를 생성하는 방법을 설명합니다. 안전 항구 유전자좌. 안정적이고 균질한 형질전환유전자 발현은 GABA 신경세포로의 직접 분화를 효율적으로 제공하며, 렌티바이러스 접근법에서 흔히 발생하는 전형전유전자 침묵화를 제한합니다.
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방법 논문
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이 프로토콜은 AAVS1 에 독시사이클린 유도성 전형전동유전자를 통합하여 인간 유도 다능성 줄기세포로부터 GABA 신경세포를 생성하는 방법을 설명합니다. 안전 항구 유전자좌. 안정적이고 균질한 형질전환유전자 발현은 GABA 신경세포로의 직접 분화를 효율적으로 제공하며, 렌티바이러스 접근법에서 흔히 발생하는 전형전유전자 침묵화를 제한합니다.
인간 유도 다능 줄기세포(hiPSCs)는 시험관 내에서 인간 신경학적 질환을 모델링할 수 있는 전례 없는 기회를 제공합니다. 감마-아미노부티르산(GABAergic)과 같은 정의된 신경 집단의 신뢰성 있는 생성은 이 연구에서 필수적입니다. 이 프로토콜은 독시사이클린 유도 시스템을 사용하여 hiPSC를 GABA 신경세포로 분화하는 견고한 방법을 상세히 설명합니다. 이 접근법은 전사 인자 ASCL1 과 DLX2 를 암호화하는 형질전환유전자를 CRISPR/Cas9 매개 녹인을 통해 세이프하버 아데노 관련 바이러스 통합 부위 1(AAVS1.) 좌위에 안정적으로 통합하는 데 의존합니다. 이 표적 통합은 무작위 렌티바이러스 통합에서 자주 관찰되는 전형전환 침묵을 피합니다. 프로토콜은 hiPSCs 유지, 형질전환 유전자 통합을 위한 뉴클레오펙션 과정, 성공적으로 조작된 세포를 풍부하게 만들기 위한 푸로마이신 선택, 그리고 단계별 분화 절차를 포함합니다. 독시사이클린으로 유도하면, 조작된 hiPSCs는 세포 주기를 빠르게 벗어나 신경 형태를 획득하고 21일 이내에 GABA 계통 마커를 발현합니다. 주요 단계에는 특정 성장 인자를 이용한 신경유도와 이후 성숙, 그리고 성숙 중 세포 부착력을 개선할 수 있는 잠재적 접근법이 포함됩니다. 이 표준화된 방법은 GABA 계통 마커를 발현하는 유도 뉴런의 풍부한 집단을 얻어내어 신경과학 연구와 세포 모델링에 귀중한 도구를 제공합니다.
인간 유도 다능성 줄기세포(hiPSCs)는 시험관 내에서 인간 신경학적 질환을 모델링하고, 발달과 퇴행을 촉진하는 복잡한 분자 메커니즘을 연구할 수 있는 독특한 플랫폼을 제공합니다. 이 기술은 환자별 세포 모델을 생성하여 증후몽성 섬모병증의 초기 신경발달이상부터 산 발성 알츠하이머병에서 관찰되는 미묘한 후생유전체 변화에 이르기까지 다양한 질환을 조사할 수 있게 합니다. 따라서 hiPSCs의 방향성 분화는 현대 분자 신경과학의 초석이 되었습니다.
인간 신경학적 과정의 미묘한 차이를 효과적으로 포착하려면 매우 특이하고 순수한 신경 하위 유형을 생성하는 것이 필수적입니다. 예를 들어, 인간뉴런에서 MECP2와 같은 단백질의 특정 전사 역할을 밝히거나, SARS-CoV-2와 같은 바이러스 감염에 대한 말초 감각 신경세포의 표적 취약성을 평가하기 위해 정의된 신경 집단이필요합니다. 더불어, 기능성 미세교세포를 3차원 대뇌 오가노이드에 통합하는 것과 같이 복잡하고 생리학적으로 중요한 미세환경을 구축하는 것은 근본적으로 뚜렷한 신경 및 교세포 계통의 견고하고 예측 가능한 생성에 의존합니다. 이 하위 유형 중 GABA 신경세포는 중추신경계에서 중요한 억제 역할과 다양한 신경학적 및 정신질환에 대한 영향으로 특히 주목받고 있습니다7. 이 방법의 전반적인 목표는 hiPSC를 유도 뉴런으로 유도하여 GABA 계통 마커를 발현하는 방향성 분화를 신뢰할 수 있고 효율적이며 재현 가능한 프로토콜로 제공하는 것입니다. 외적 신호 분자에 의존하는 전통적인 GABA 기반 분화 프로토콜은 시간이 많이 걸리고 변동성이 크며, 세포 집단이 이질적으로 변할 수 있습니다8.
이러한 한계를 극복하기 위해 전사 인자 매개 순방향 프로그래밍이강력한 대안으로 등장했습니다. 이 프로토콜은 독시사이클린 유도 발현 시스템을 사용하여 ASCL1과 DLX210의 발현을 유도합니다. CRISPR/Cas9를 사용하여 이 형질전환유전자를 선도관 관련 바이러스 통합 부위 1(AAVS1.) 안전항구 유전자좌위에 표적으로 지정함으로써, 무작위 렌티바이러스 통합10과 관련된 전형전환 침묵 문제를 우회합니다. 기증자 구성체에는 mCherry와 같은 형광 리포터가 포함되어 있어 선별 후 형질전환 양성 세포를 모니터링합니다. 이 전략은 무작위 통합 접근법보다 더 균질한 형질전환유전자 발현을 지원하기 위한 것이지만, 각 유전자 계통별로 발현 안정성과 분화 재현성은 검증되어야 합니다. 이 표준화된 방법은 약 21일 만에 GABA 계통 마커를 발현하는 유도 신경세포의 농축된 집단을 생성하며, 이는 전통적인 소분자 접근법의 8.10일보다 짧은 시간입니다. 이 프로토콜은 고함량 현미경, 단세포 전사체학, 기능적 생리학적 검사와 같은 후속 응용을 위해 확장 가능하고 일관된 신경 집단이 필요한 연구자들에게 매우 적합합니다.
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주의: 인간 hiPSC 배양은 기관 생물안전 절차에 따라 잠재적 생물학적 위험 물질로 취급되어야 합니다. 모든 인간 hiPSC 배양 절차를 인증된 클래스 II 생물학적 안전 캐비닛에서 멸균 기술을 사용하여 수행하십시오. 인간 세포가 포함된 모든 폐기물, 인간 세포에 노출된 배지, CRISPR/Cas9 플라스미드 물질은 폐기 전에 지역 생물안전 지침에 따라 오염 제거되어야 합니다. 독시사이클린, 퓨로마이신, DMSO 및 기타 화학 시약은 장갑과 적절한 눈 및 피부 보호구를 착용하여 다루어야 하며, 폐기물은 기관의 화학 폐기물 처리 절차에 따라 폐기되어야 합니다. 기저막 추출물(BME)은 멸균 기법으로 취급하고 얼음 위에 보관하여 조기 중합을 방지해야 합니다. 액체 질소 저장과 냉동 취급은 적절한 극저온 장갑, 얼굴 보호구, 그리고 해동 중 냉 화상이나 바이알 폭발을 방지하기 위해 주의하여 수행해야 합니다.
참고: CRISPR/Cas9 매개 편집 및 신경 분화 이전에 hiPSC 배양은 사전에 정해진 품질 관리 기준을 충족해야 합니다. 세포는 마이코플라즈마 음성 판정을 받아야 하며, 정상 핵형 또는 허용 가능한 유전체 무결성 프로필을 보여야 하며, OCT4, SOX2, NANOG, TRA-1-60, 및/또는 SSEA4 등 다능성 지표의 강력한 발현을 유지해야 합니다. 배양은 전형적인 조밀한 hiPSC 집락 형태를 보여야 하며, 높은 핵-세포질 비율, 뚜렷한 집단 경계, 최소한의 자발적 분화를 보여야 합니다. 권장 통과 범위 내의 활성 증식 배양만 사용해야 하며, 별도의 검증이 없는 한 실험실에서 정의한 최대 통과 번호(보통 40번째 통과 이하)를 넘지 않아야 합니다. 비정상적인 형태, 과도한 자발적 분화, 저조한 성장, 확실한 오염 또는 유전체 불안정성의 증거가 있는 배양은 편집 및 분화 실험에서 제외해야 합니다. 이 프로토콜에 필요한 모든 재료, 특히 미디어 레시피는 재료표에 나열되어 있습니다.
1. 시약 및 배양판 준비
2. hiPSC의 유지 및 전달
참고: 이 프로토콜에서 hiPSC 유지 매체는 mTeSR plus를 의미합니다. mTeSR plus는 일상적인 유지, 통과, 뉴클레오프 후 회복, 그리고 푸로마이신 선택에 권장되는 배지입니다.
3. hiPSCs의 핵 확산
4. 항생제 선택
주의: 푸로마이신은 독성이 있습니다. 적절한 개인 보호 장비를 착용하고 폐기물을 기관 지침에 따라 처리하십시오.
참고: 편집된 hiPSC를 선택하기 전에 각 hiPSC 라인의 최적 퓨로마이신 농도를 결정하십시오. BME 코팅된 6웰 플레이트에서 HIPSC 유지 배양지에 ROCK 억제제를 첨가한 상태에서 웰당 100,000 세포의 편집되지 않은 hiPSC를 시딩했습니다. 24시간 후에는 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5 μg/mL의 푸로마이신이 포함된 신선한 hiPSC 유지 배지로 배지를 교체합니다. 퓨로마이신 함유 배지를 매일 교체하고, 5일간 밝시야 현미경으로 세포 형태와 생존을 관찰하세요. 선택된 농도는 3–5일 이내에 모든 편집되지 않은 hiPSC를 제거하면서 과도한 독성을 최소화해야 합니다. 이 프로토콜에서 최적의 푸로마이신 농도는 일반적으로 0.4–0.6 μg/mL입니다.
5. GABA 작용성 뉴런으로의 분화
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이 프로토콜의 성공적인 적용은 GABA 분자 특성을 가진 유도 뉴런 집단이 풍부해집니다. 이 전략은 AAVS1 유전자좌에 독시사이클린 유도성 ASCL1-P2A-DLX2 카세트를 표적 삽입하는 데 기반합니다(그림 1A). 조작된 hiPSCs가 선택된 후, 도키사이클린 유도가 GABA 작용성 신경 분화를 유도하는 데 사용되며, 이는 그림 1B에 표시된 타임라인에 나와 있습니다. 뉴클레오펙션 및 푸로마이신 선택 후, 연구자들은 hiPSC 콜로니 전반에 걸쳐 통합 형광 리포터(예: mCherry)가 거의 균질하게 발현되는 것을 관찰해야 하며, 이는 조작된 세포의 성공적인 농축과 일치합니다. 분화 단계에서 독시사이클린의 첨가는 hiPSCs의 빠른 형태학적 변형을 유도합니다(
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GABA 생성 신경세포의 성공적인 생성은 이 프로토콜 내 여러 중요한 단계에 크게 의존합니다. 고품질의 미분화된 hiPSC를 유지하는 것이 가장 중요합니다; 핵 분리 이전의 자발적 분화는 통합 효율과 하위 신경 순도를 크게 저하시킵니다. 더불어, 정밀한 퓨로마이신 킬 곡선의 결정은 제대로 설계된 클론에 과도한 부담 없이 비통합 세포를 완전히 제거하기 위해 필수적입니다. 분화 단계에서는 배양물을 조심스럽고 부드럽게 다루는 것, 특히 유물 벽에 배지를 한 방울 단위로 첨가하는 것이 연약한 신경망 분리를 방지하는 데 매우 중요합니다.
연구자들은 목표 지향적인 문제 해결이 필요한 여러 도전 과제에 직면할 수 있습니다. 핵세포 생존 가능성이 비정상적으로 낮을 경우, 세포가 핵세포 용액에 노출되는 시간을 줄이고 얼음 위에서 엄격한 온도 조절을 유지하면 생존율을 크게 향상시킬 수 있습니다....
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저자들은 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
지원은 캐나다 줄기세포 네트워크 점프 스타트 ECR 프로그램과 UdeM pour le partenariat CHU 생트-쥐스틴 -Institut Imagine en épilepsie de l'enfant의 지원을 받았습니다. 테오 라빈은 오디세 네트워크의 지원을 받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 4D-Nucleofector™ Core Unit | 로자 | AAF-1002B | hiPSCs의 전기 투과/핵 주입을 위한 장치. |
| 6웰 배양 플레이트 | Sarstedt | 83.3920300 | hiPSC 유지 및 분화를 위한 조직 배양 처리된 플레이트. |
| BDNF(뇌 유래 신경영양인자) | STEMCELL Technologies | 78005 | 신경 성숙을 위한 재조합 인간 단백질; 제조업체 지침에 따라 준비하고 최종 농도 10 ng/mL로 사용. |
| 세포 카운터(Countess) | Thermo Fisher Scientific | C10283 | 세포 계수에 사용. |
| 원심분리기 | VWR | 76468-134 | 세포 펠레팅용. |
| CO2 인큐베이터 | Thermo Fisher Scientific | Heracell VIOS 160i 또는 동등 | 37 °C, 가습된 대기, 5% CO2를 유지하는 세포 배양 인큐베이터. |
| 크라이오튜브 | Thermo Fisher Scientific | 5000-0020 | hiPSC 동결을 위한 멸균 극저온 바이알; 외부 나사 1.8-2.0 mL 크라이오바이알을 외부적으로 사용할 수 있음. |
| Cultrex UltiMatrix 감소된 성장 인자 기저막 추출물 | Bio-Techne | BME001-05 | 프로토콜에서 사용되는 표준 BME 코팅 매트릭스. Bio-Techne 분석 인증서에서 로트별 재고 농도를 확인하고 DMEM/F-12에 80 µg/mL 작업 농도로 희석. |
| DMEM/F-12 | Wisent | 319-090-CL | BME를 희석하는 데 사용되는 기본 매체. |
| DMSO(디메틸 설폭사이드) | Sigma-Aldrich | D2650 | 동결 매체 제조에 사용되는 동결 보호제. |
| 기증자 플라스미드: 유도 가능한 ASCL1-P2A-DLX2 AAVS1 타겟팅 카세트 | 맞춤형 플라스미드 | Addgene 등록 대기중 | 도시사이클론 유도 ASCL1-P2A-DLX2 카세트 및 선택/보고 요소를 포함하는 맞춤형 AAVS1 기증자 플라스미드. 플라스미드 맵 및 전체 서열을 보조 파일 또는 요청 시 제공. |
| 독시사이클린 하이클레이트 | Sigma-Aldrich | D9891 | ASCL1-P2A-DLX2 발현을 유도하는 데 사용. 멸균 스톡 용액을 준비하고, 분리하고, 빛으로부터 보호하고, 동결 상태로 저장하고, 최종 농도 1 µg/mL로 사용. |
| 에탄올(70%) | 상업용 알코올 / 그린필드 글로벌 | P016EAAN | 생물학적 안전 캐비닛 내부 살균; 기관 승인된 70% 에탄올 또는 동등한 것을 사용. |
| 형광 현미경 | ECHO | Revolve R4 | 보고자 발현 및 신경 형태학의 위상차 및 형광 이미지를 촬영하는 데 사용되는 현미경. |
| GDNF(신경교 유래 신경영양인자) | STEMCELL Technologies | 78058 | 신경 성숙을 위한 재조합 인간 단백질; 제조업체 지침에 따라 준비하고 최종 농도 10 ng/mL로 사용. |
| hiPSC 라인 PGP1 | EditCo Bio | PGP1 인간 iPSC 라인 | 이 프로토콜에 사용된 상업적으로 이용 가능한 공개 동의 인간 iPSC 라인; 수정 및 분화 전에 패시지 번호 및 QC 상태를 기록. |
| 이미지 분석 소프트웨어 | ImageJ/Fiji | 오픈 소스; 사용된 버전 보고해야 함 | 형광 정량화 및 대표 이미지 처리를 위한 소프트웨어. |
| KnockOut™ 혈청 대체물(KOSR) | Thermo Fisher Scientific | 10828028 | 동결 매체 준비에 사용. |
| 라미닌-521 | STEMCELL Technologies | 200-0117 | 표준 코팅 프로토콜의 일부는 아님. 신경 분리가 지속될 경우 대체 또는 이중 코팅 매트릭스로 사용할 수 있는 문제 해결용 선택적 시약. |
| 액체 질소 듀워 | Thermo Fisher Scientific | Locator 6 Plus 또는 동등 | 기관 극저온 안전 절차에 따라 증기상 또는 액체 질소에서 동결된 hiPSCs의 장기 저장. |
| Mr. Frosty™ 동결 컨테이너 | Thermo Fisher Scientific | 5100-0001 | -80 °C에서 세포의 제어 속도 동결을 위한 컨테이너. |
| mTeSR™ Plus | STEMCELL Technologies | 100-0276 | hiPSCs의 피더 없는 유지 매 |
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