Conversie van menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) in functionele spinale en craniale motor neuronen met behulp van PiggyBac vectoren

Summary

Dit protocol maakt een snelle en efficiënte omzetting van geïnduceerde pluripotente stamcellen in motorische neuronen met een wervelkolom of schedel identiteit, door buitenbaarmoederlijke expressie van transcriptiefactoren van afleidbaar piggyBac vectoren.

Abstract

We beschrijven hier een methode om functionele spinale en craniale motor neuronen te verkrijgen van menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs). Directe omzetting in motor neuron wordt verkregen door een buitenbaarmoederlijke expressie van alternatieve modules van transcriptiefactoren, namelijk Ngn2, Isl1 en Lhx3 (NIL) of Ngn2, Isl1 en Phox2a (NIP). NIHIL en NIP specificeren, respectievelijk, spinale en craniale motor neuron identiteit. Ons protocol begint met de generatie van gemodificeerde iPSC lijnen waarin nihil of NIP stabiel zijn geïntegreerd in het genoom via een piggyBac transposon vector. Expressie van de transgenen wordt vervolgens geïnduceerd door doxycycline en leidt, in 5 dagen, tot de omzetting van iPSCs in MN progenitoren. Latere rijping, voor 7 dagen, leidt tot homogene populaties van spinale of craniale MNs. Onze methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van eerdere protocollen: het is zeer snel en vereenvoudigd; het vereist geen virale infectie of verdere MN isolatie; het maakt het genereren van verschillende MN sub-populaties (spinale en craniale) met een opmerkelijke mate van rijping, zoals blijkt uit de mogelijkheid om treinen van actiepotentialen brand. Bovendien kan een groot aantal motor neuronen worden verkregen zonder zuivering van gemengde populaties. iPSC-afgeleide spinale en craniale motor neuronen kunnen worden gebruikt voor in vitro modellering van Amyotrofische laterale sclerose en andere neurodegeneratieve ziekten van de motor neuron. Homogene motor neuron populaties kunnen vertegenwoordigen een belangrijke bron voor cel type specifieke drug screenings.

Introduction

Motor neuron (MN) degeneratie speelt een oorzakelijke rol bij menselijke ziekten, zoals amyotrofische lateraal sclerose (ALS) en spinale spieratrofie (SMA). Het opzetten van geschikte in vitro Cell modelsystemen die de complexiteit van de menselijke MN recapituleren is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van nieuwe therapeutische benaderingen. Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs), die zijn begiftigd met opmerkelijke plurilineage differentiatie eigenschappen, zijn nu afgeleid van een aantal patiënten die getroffen zijn door motor neuron ziekten^1,2. Extra iPSC lijnen die pathogene mut....

Protocol

1. onderhoud van de menselijke iPSCs

1. Bereiding van matrix gecoate platen
   1. Dooi één 5 mL flacon van matrijs (Zie de lijst van materialen) bij 4 °c 's nachts. De originele matrijs voorraden komen op verschillende voorraad concentraties en de hoeveelheid wordt gemaakt volgens de verdunningsfactor die op het gegevensblad wordt vermeld, specifiek voor de individuele partij. Het is belangrijk om de flacon en de buizen ijskoud te houden om vroegtijdige geleer van de matrix te voorkomen. Doseer de matrix in de voor gekoelde cryobuizen op het ijs. Bevriezen ongebruikte fracties bij-20 °C.
   2. Plaats één hoeveelheid i....

Results

Een schematische beschrijving van de differentiatie methode wordt weergegeven in Figuur 1. Human iPSCs (WT I lijn³) werden transfected met EpB-BSD-TT-Nil of EpB-BSD-TT-NIP, het genereren, op blasticidin selectie, stabiel en afleidbaar cel lijnen¹², hierna aangeduid als iPSC-Nil en iPSC-NIP, respectievelijk. Onderscheidende cellen werden gekenmerkt voor de uitdrukking van de pluripotentie marker OCT4 en de pan-neuronale marker TUJ1. Immunokleuri.......

Discussion

Dit protocol maakt het mogelijk om efficiënt te converteren menselijke iPSCs in spinale en craniale motor neuronen dankzij de buitenbaarmoederlijke expressie van Lineage-specifieke transcriptiefactoren. Deze transgenen worden afleidbaar door doxycycline en stabiel geïntegreerd in het genoom dankzij een piggyBac op transposon gebaseerde vector. In een gemengde populatie, zal een of meerdere exemplaren van de piggyBac vector willekeurig worden geïntegreerd in het genoom van de individuele cellen, het verhogen van het risic.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
5-Bapta	Sigma-Aldrich	A4926-1G	chemicals for electrophysiological solutions
Accutase	Sigma-Aldrich	A6964-100ML	Cell dissociation reagent
anti-CHAT	EMD Millipore	AB144P	Anti-Choline Acetyltransferase. Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_2079751; Lot number: 2971003
anti-goat Alexa Fluor 488	Thermo Fisher Scientific	A11055	Secondary antibody used for immonofluorescence assays. RRID: AB_2534102; Lot number: 1915848
anti-mouse Alexa Fluor 647	Thermo Fisher Scientific	A31571	Secondary antibody used for immonofluorescence assays. RRID: AB_162542; Lot number: 1757130
anti-Oct4	BD Biosciences	611202	Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_398736; Lot number: 5233722
anti-Phox2b	Santa Cruz Biotechnology, Inc.	sc-376997	Primary antibody used in immunostaining assays. Lot number: E0117
anti-rabbit Alexa Fluor 594	Immunological Sciences	IS-20152-1	Secondary antibody used for immonofluorescence assays
anti-TUJ1	Sigma-Aldrich	T2200	Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_262133
B27	Miltenyi Biotec	130-093-566	Serum free supplement for neuronal cell maintenance
Bambanker	Nippon Genetics	NGE-BB02	Cell freezing medium, used here for motor neuron progenitors
BDNF	PreproTech	450-02	Brain-Derived Neurotrophic Factor
Blasticidin	Sigma-Aldrich	203350	Nucleoside antibiotic that inhibits protein synthesis in prokaryotes and eukaryotes
BSA	Sigma-Aldrich	A2153	Bovine Serum Albumin. Blocking agent to prevent non-specific binding of antibodies in immunostaining assays
CaCl2	Sigma-Aldrich	C3881	chemicals for electrophysiological solutions
Clampex 10 software	Molecular Devices	Clampex 10	Membrane currents recording system
Corning Matrigel hESC-qualified Matrix	Corning	354277	Reconstituted basement membrane preparation from the Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) mouse sarcoma. Used for adhesion of iPSC to plastic and glass supports
CRYOSTEM ACF FREEZING MEDIA	Biological Industries	05-710-1E	Freezing medium for human iPSCs
D-Glucose	Sigma-Aldrich	G5146	chemicals for electrophysiological solutions
DAPI powder	Roche	10236276001	4′,6-diamidino-2-phenylindole. Fluorescent stain that binds to adenine–thymine rich regions in DNA used for nuclei staining in immonofluorescence assays
DAPT	AdipoGen	AG-CR1-0016-M005	Gamma secretase inhibitor
Dispase	Gibco	17105-041	Reagent for gentle dissociation of human iPSCs
DMEM/F12	Sigma-Aldrich	D6421-500ML	Basal medium for cell culture
Doxycycline	Sigma-Aldrich	D9891-1G	Used to induce expression of transgenes from epB-Bsd-TT-NIL and epB-Bsd-TT-NIP vectors
DS2U	WiCell	UWWC1-DS2U	Commercial human iPSC line
E.Z.N.A Total RNA Kit	Omega bio-tek	R6834-02	Kit for total extraction of RNA from cultured eukaryotic cells
GDNF	PreproTech	450-10	Glial-Derived Neurotrophic Factor
Gibco Episomal hiPSC Line	Thermo Fisher Scientific	A18945	Commercial human iPSC line
Glutamax	Thermo Fisher Scientific	35050038	An alternative to L-glutamine with increased stability. Improves cell health.
Hepes	Sigma-Aldrich	H4034	chemicals for electrophysiological solutions
iScript Reverse Transcription Supermix for RT-qPCR	Bio-Rad	1708841	Kit for gene expression analysis using real-time qPCR
iTaqTM Universal SYBR Green Supermix	Bio-Rad	172-5121	Ready-to-use reaction master mix optimized for dye-based quantitative PCR (qPCR) on any real-time PCR instrument
K-Gluconate	Sigma-Aldrich	G4500	chemicals for electrophysiological solutions
KCl	Sigma-Aldrich	P9333	chemicals for electrophysiological solutions
L-ascorbic acid	LKT Laboratories	A7210	Used in cell culture as an antioxidant
Laminin	Sigma-Aldrich	11243217001	Promotes attachment and growth of neural cells in vitro
Laser scanning confocal microscope	Olympus	iX83 FluoView1200	Confocal microscope for acquisition of immunostaining images
Mg-ATP	Sigma-Aldrich	A9187	chemicals for electrophysiological solutions
MgCl2	Sigma-Aldrich	M8266	chemicals for electrophysiological solutions
Mounting Medium	Ibidi	50001	Mounting solution used for confocal microscopy and immunofluorescence assays
Multiclamp patch-clamp amplifier	Molecular Devices	700B	Membrane currents recording system
Na-GTP	Sigma-Aldrich	G8877	chemicals for electrophysiological solutions
NaCl	Sigma-Aldrich	71376	chemicals for electrophysiological solutions
NEAA	Thermo Fisher Scientific	11140035	Non-Essential Amino Acids. Used as a supplement for cell culture medium, to increase cell growth and viability.
Neon 100 μL Kit	Thermo Fisher Scientific	MPK10096	Cell electroporation kit
Neon Transfection System	Thermo Fisher Scientific	MPK5000	Cell electroporation system
Neurobasal Medium	Thermo Fisher Scientific	21103049	Basal medium designed for long-term maintenance and maturation of neuronal cell populations without the need for an astrocyte feeder layer
NutriStem-XF/FF	Biological Industries	05-100-1A	Human iPSC culture medium
Paraformaldehyde	Electron Microscopy Sciences	157-8	Used for cell fixation in immunostaining assays
PBS	Sigma-Aldrich	D8662-500ML	Dulbecco's Phosphate Buffer Saline, with Calcium, with Magnesium
PBS Ca2+/Mg2+ free	Sigma-Aldrich	D8537-500ML	Dulbecco's Phosphate Buffer Saline, w/o Calcium, w/o Magnesium
Penicillin/Streptomycin	Sigma-Aldrich	P4333-100ML	Penicillin/Streptomicin solution used to prevent cell culture contamination from bacteria.
poly-ornithine	Sigma-Aldrich	P4957	Promotes attachment and growth of neural cells in vitro
SU5402	Sigma-Aldrich	SML0443-5MG	Selective inhibitor of vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR-2)
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T8787	4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol, t-Octylphenoxypolyethoxyethanol, Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether. Used for cell permeabilization in immunostaining assays
Upright microscope	Olympus	BX51VI	Microscope for electrophysiological recording equipped with CoolSnap Myo camera
Y-27632  (ROCK inhibitor)	Enzo Life Sciences	ALX-270-333-M005	Cell-permeable selective inhibitor of Rho-associated, coiled-coil containing protein kinase (ROCK). Increases iPSC survival
μ-Slide 8 Well	Ibidi	80826	Support for high–end microscopic analysis of fixed cells