Ten protokół opisuje generowanie wolnych od integracji iPSC z fibroblastów tkanek płodu poprzez dostarczanie plazmidów epizodycznych przez nukleofekcję, a następnie opisuje metody używane do charakterystyki iPSC i różnicowania neuronów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje generowanie wolnych od integracji iPSC z fibroblastów tkanek płodu poprzez dostarczanie plazmidów epizodycznych przez nukleofekcję, a następnie opisuje metody używane do charakterystyki iPSC i różnicowania neuronów.
Aneuploidie chromosomowe powodują poważne wady wrodzone, w tym wady rozwojowe ośrodkowego układu nerwowego i śmierć płodu. Prenatalne badania genetyczne mają charakter czysto diagnostyczny i nie wyjaśniają mechanizmu choroby. Chociaż komórki z płodów aneuploidalnych są cennym materiałem biologicznym zawierającym aneuploidię chromosomową, komórki te żyją krótko, co ogranicza ich wykorzystanie w dalszych eksperymentach badawczych. Generowanie modeli indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) jest skuteczną metodą przygotowania komórek do wiecznego zachowania cech aneuploidalnych. Są samoodnawiające się i różnicują w wyspecjalizowane komórki, co przypomina rozwój embrionalny. W związku z tym iPSC służą jako doskonałe narzędzia do badania wczesnych zdarzeń rozwojowych. Zespół Turnera (TS) jest rzadkim schorzeniem związanym z całkowitym lub częściowym brakiem chromosomu X. Zespół charakteryzuje się niepłodnością, niskim wzrostem, zaburzeniami endokrynologicznymi, metabolicznymi, autoimmunologicznymi i sercowo-naczyniowymi oraz defektami neuropoznawczymi. Poniższy protokół opisuje izolację i hodowlę fibroblastów z tkanki płodowej TS (45XO), generowanie wolnych od integracji TSiPSC poprzez dostarczenie plazmidów przeprogramowujących epizodyczne przez nukleofekcję, a następnie charakteryzację. Przeprogramowanie TSiPSC poddano początkowo badaniom przesiewowym za pomocą barwienia fosfatazą alkaliczną żywych komórek, a następnie przeprowadzono szeroko zakrojone badania pod kątem biomarkerów pluripotencji. Wybrane kolonie poddano mechanicznej sekcji, kilkukrotnej pasażacji, a do dalszych eksperymentów wykorzystano stabilne, samoodnawiające się komórki. W komórkach stwierdzono ekspresję czynników transkrypcyjnych pluripotencji OCT4, NANOG, SOX2, markerów powierzchniowych komórek SSEA 4 i TRA1-81 typowych dla pluripotencjalnych komórek macierzystych. Oryginalny kariotyp 45XO został zachowany po przeprogramowaniu. TSiPSC były zdolne do tworzenia ciał zarodkowych i różnicowania się w komórki endodermy, mezodermy i ektodermy wyrażające biomarkery specyficzne dla linii ((SRY BOX17), (MIOZYNOWY KOMOROWY ŁAŃCUCH CIĘŻKI α/β), (βIII TUBULINA)). Egzogenne plazmidy episomalne zostały utracone spontanicznie i nie zostały wykryte po pasażie 15 w komórkach. Te TSiPSC są cennym zasobem komórkowym do modelowania wadliwego rozwoju molekularnego i komórkowego powodującego deficyty neurokognitywne związane z zespołem Turnera.
Aneuploidie prowadzą do wad wrodzonych/wad wrodzonych i utraty ciąży u ludzi. ~50%-70% próbek z powodu utraty ciąży wykazuje nieprawidłowości cytogenetyczne. Zarodki aneuploidalne utracone we wczesnym okresie ciąży nie mogą być łatwo pozyskane do analizy eksperymentalnej, co rodzi potrzebę opracowania innych modeli ściśle reprezentujących ludzką embriogenezę. Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) pochodzące z komórek, u których zdiagnozowano zaburzenia genetyczne, wykorzystano do modelowania reprezentatywnych nieprawidłowości genetycznych i ich wpływu na rozwój płodu1,2,3,4. Te iPSC przypominają komórki epiblastu rozwijającego się zarodka i mogą podsumowywać wczesne zdarzenia tworzenia się zarodka. Pozwalają one zrozumieć i scharakteryzować program rozwojowy linii komórkowych i wzorce we wczesnych zarodkach ssaków. iPSC pochodzące wcześniej z fibroblastów skóry i amniocytów z prenatalnych testów diagnostycznych zespołów aneuploidalnych, takich jak monosomia X (zespół Turnera), trisomia 8 (zespół Warkany'ego 2), trisomia 13 (zespół Pataua) i częściowa trisomia 11; 22 (zespół Emanuela) dostarczyły cennych spostrzeżeń na temat nieudanego rozwoju4.
Zespół Turnera (TS) jest rzadkim schorzeniem charakteryzującym się niepłodnością kobiet, niskim wzrostem, zaburzeniami endokrynologicznymi i metabolicznymi, zwiększonym ryzykiem chorób autoimmunologicznych oraz predyspozycjami do chorób sercowo-naczyniowych5. Chociaż jest to jedyny możliwy do przeżycia zespół monosomii, jest on również śmiertelny dla rozwijającego się zarodka, powodując samoistne poronienia6. Osoby, które przeżyły z TS, mają różne zmiany materiału chromosomu X w swoich komórkach. Kariotypy wahają się od całkowitej utraty jednego chromosomu X (45,XO) do mozaik, takich jak 45,XO/46,XX; 45,XO/47,XXX, obecność chromosomów pierścieniowych, obecność materiału chromosomu Y, itd5.
Diagnoza zespołu jest zazwyczaj przeprowadzana poprzez kariotypowanie krwi osób z objawami i pobieranie próbek kosmówek (CVS) w celu wykrycia wczesnych zespołów aneuploidii. Ponieważ zespoły aneuploidii stanowią ~ 30% poronień spontanicznych, rutynowe jest kariotypowanie produktu poczęcia (POC) po poronieniu spontanicznym. Te komórki płodowe, w tym kosmki kosmówkowe posiadające nieprawidłowości cytogenetyczne i pochodzące z nich iPSC, stanowią cenne źródło materiału biologicznego do badania zespołów aneuploidii4,6. TS iPSC zostały wcześniej utworzone z amniocytów poprzez retrowirusowe przeprogramowanie4, fibroblasty kosmków kosmówkowych (uzyskane w diagnostyce prenatalnej) poprzez retrowirusowe przeprogramowanie6, z komórek jednojądrzastych krwi7 poprzez przeprogramowanie wirusa Sendai oraz z fibroblastów skóry osób z TS poprzez przeprogramowanie lentiwirusowe4. Ponieważ głównym celem naszego laboratorium jest zrozumienie niepowodzeń rozwojowych, wygenerowaliśmy TS iPSC z POC, a konkretnie komponent kosmków kosmówkowych samoistnego poronienia8. Wszystkie komórki wyizolowane z tej tkanki płodowej miały kariotyp 45XO i dały iPSC o tym samym kariotypie. Te iPSC są wyjątkowe, ponieważ są pierwszymi, które są generowane z abortowanego płodu i stanowią cenne źródło do badania niepowodzeń ciąży związanych z aneuploidią. W artykule przedstawiono szczegółową metodologię generowania iPSC z tego unikalnego źródła komórek poprzez przeprogramowanie episomalne.
Wczesne metody generowania iPSC wykorzystywały transdukcję wirusa i transpozony do dostarczania czynników przeprogramowujących. Metody indukowania komórek do pluripotencji ewoluowały od stosowania integrujących wektorów retrowirusowych9, wektorów lentiwirusowych podlegających akcyzie10,11 i metod opartych na transpozonach12 do nieintegrujących wektorów adenowirusowych13 i wektorów opartych na wirusie Sendai14. Przeprogramowanie oparte na retrowirusach i lentiwirusach, choć skuteczne, obejmuje integrację czynników przeprogramowujących z chromosomami gospodarza, powodując mutacje insercyjne, które mają nieprzewidziane skutki w iPSC. Co więcej, przeprogramowanie oparte na wirusach zapobiega translacyjnemu zastosowaniu iPSC. Systemy oparte na RNA15 i bezpośrednie dostarczanie białek16 zostały zbadane w celu całkowitego wyeliminowania potencjalnych zagrożeń związanych z użyciem wirusów i transfekcji DNA. Jednak te metody okazały się nieskuteczne.
W 2011 roku, Okita i wsp. poinformowali o poprawie efektywności przeprogramowania za pomocą plazmidów episomalnych wzmocnionych supresją TP53 przez shRNA. Zastąpili również cMYC nietransformującym LMYC (MYC związanym z drobnokomórkowym rakiem płuca) w celu zwiększenia bezpieczeństwa hiPSC. Te plazmidy episomalne wyrażają 5 czynników przeprogramowujących: OCT4, LIN28, SOX2, KLF4, LMYC i shRNA dla TP5317,18. Wektory te są utrzymywane poza chromosomem i tracone z przeprogramowanych komórek po ciągłej hodowli, dzięki czemu linie są wolne od transgenów w ciągu 10-15 pasaży. Nukleofekcja to wyspecjalizowana forma elektroporacji, która dostarcza kwasy nukleinowe bezpośrednio do jądra komórek gospodarza. Jest to skuteczna metoda dostarczania plazmidów przeprogramowujących do różnych typów komórek. Plazmidy episomalne są opłacalne i rekompensują wysokie koszty nukleofekcji. Metoda ta jest skuteczna i powtarzalna w zoptymalizowanych warunkach, dając stabilne iPSC z różnych komórek somatycznych. W niniejszym protokole opisano metodę wytwarzania iPSC z fibroblastów wyizolowanych z tkanki płodu poprzez nukleofekcję plazmidów przeprogramowujących episomalne. Oto szczegółowe protokoły izolacji fibroblastów z kosmków kosmówkowych płodu, oczyszczania plazmidu, nukleofekcji, pobierania kolonii z płytki przeprogramowującej i tworzenia stabilnych iPSC.
Konieczne jest potwierdzenie obecności cech pluripotencji w nowo wygenerowanych iPSC. Obejmuje to wykazanie czynników związanych z pluripotencją (np. ekspresja fosfatazy alkalicznej, NANOG, SSEA4, Tra 1-80, Tra 1-81, E-kadheryna; zwykle wykazywane za pomocą testów immunofluorescencyjnych lub ekspresji genów), identyfikację trzech listków zarodkowych za pomocą testów różnicowania in vitro w celu potwierdzenia ich potencjałów różnicowania, kariotypowanie w celu określenia zawartości chromosomów, typowanie STR w celu ustalenia tożsamości z komórkami rodzicielskimi, weryfikacja utraty genów egzogennych, oraz bardziej rygorystyczne testy in vivo, takie jak tworzenie potworniaków i komplementacja tetraploidalna. Tutaj opisujemy protokoły charakterystyki kariotypowania, barwienia fosfatazą alkaliczną żywych komórek, wykrywania biomarkerów związanych z pluripotencją za pomocą immunofluorescencji, testów różnicowania in vitro oraz metody wykazywania utraty genów egzogennych19.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
FCV zostały uzyskane ze Szpitala Manipal w Bengaluru, za zgodą Komitetu Etyki Szpitali Manipal.
UWAGA: Zobacz Tabelę 1, aby zapoznać się ze składem wszystkich i roztworów.
1. Izolacja fibroblastów z płodowych kosmków kosmówkowych (FCV)
2. Izolacja i weryfikacja DNA plazmidów
3. Nucleofekcja
4. Zbieranie i rozmnażanie kolonii iPSC
5. Charakterystyka iPSC
UWAGA: Badania charakteryzacyjne, w tym PCR i barwienie immunologiczne dla biomarkera pluripotencji, zostały przeprowadzone po piątym numerze pasażu. Kariotypowanie wykonano przy późniejszym numerze pasażu.
6. Testy różnicowania in vitro
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Generowanie wolnych od integracji iPSC z płodu po samoistnym poronieniu z kariotypem 45XO
Wyizolowano fibroblasty z FCV z kariotypem 45XO charakterystycznym dla zespołu Turnera (TS) i poddano je nukleofekcji episomalnymi plazmidami reprogramującymi w celu wygenerowania TSiPSC, które mogą być wykorzystane do dalszego modelowania zespołu, a w szczególności związanych z nim deficytów neurologicznych (Rycina 1a&b). Do eksperymentów z transfekcją wykorzys...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Generowanie stabilnych modeli komórkowych cytogenetycznie nieprawidłowej tkanki płodu jest niezbędne do utrwalenia wadliwego fenotypu. Droga iPSC jest najskuteczniejszą metodą przygotowania komórek do wiecznej konserwacji wadliwych właściwości20.
Pluripotencjalne komórki macierzyste (PSC) wykazują właściwości samoodnawiania i różnicowania się w wyspecjalizowane komórki, przypominające zarodki o wczesnym rozszczepieniu21. W związku z tym PSC mogą ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Wsparcie finansowe dla powyższych badań zostało zapewnione przez Manipal Academy of Higher Education. Charakterystykę linii przeprowadzono częściowo w laboratorium M. M. Panickera z NCBS. Dziękujemy Laboratorium Diagnostycznemu Anand za pomoc w kariotypowaniu.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 0,15% trypsyna | Thermo Fisher Scientific | 27250018 | G Banding |
| 2-merkaptoetanol | Thermo Fisher Scientific | 21985023 | Pluripotencja i pożywka dla embrionów |
| 4', 6 diamidino-2-fenyloindol | Sigma Aldrich | D8417 | Immunocytochemia |
| Aktywina A | Sigma Aldrich | SRP3003 | Testy |
| różnicowaniaFosfataza alkaliczna Live Stain | Thermo Fisher Scientific | A14353 | Barwienie AP |
| AMAXA Nucleofector II | |||
| AmnioMAX II kompletne podłoża | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11269016 | Podłoże specyficzne dla hodowli komórek kosmków kosmówkowych płodu |
| Ampicylina | HiMedia | TC021 | Oczyszczanie plazmidu |
| Anty mysie IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A11059 | Immunocytochemia |
| Anty królik IgG (H+L) Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A11034 | Immunocytochemia |
| Anty królik IgG (H+L) Alexa Fluor 546 | Invitrogen | A11035 | Immunocytochemia |
| Antybiotyk-Antybiotyk Grzybicze | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 15240096 | Kontrola zanieczyszczeń |
| Anty-E-Kadheryna | BD Nauki biologiczne | 610181 | Immunocytochemia |
| Anty-Nanog | BD Biosciences | 560109 | Immunocytochemia |
| Anty-OCT3/4 | BD Nauki biologiczne | 611202 | Immunocytochemia |
| Anty-SOX17 | BD Biosciences | 561590 | Immunocytochemia |
| Anty-SOX2 | BD Biosciences | 561469 | Immunocytochemia |
| Anty-SSEA4 | BD Nauki biologiczne | 560073 | Immunocytochemia |
| Anty-TRA 1-81 | Milipore | MAB4381 | Immunocytochemia |
| podstawowa Czynnik wzrostu fibroblastów [FGF2] | Sigma Aldrich | F0291 | Pożywka pluripotencji |
| Czynnik morfogenetyczny kości 4 | Sigma Aldrich | SRP3016 | Testy różnicujące |
| Bydło Albumina surowicy | Sigma Aldrich | A3059 | Kolagen blokujący |
| Ludzki typ IV | BD Biosciences | 354245 | Testy różnicowania |
| Mieszanka kolagenazy | Sigma Aldrich | C8051 | Trawienie kosmków kosmówkowych płodu |
| Deksametazon | Sigma Aldrich | D4902 | Testy różnicujące |
| DMEM F12 | Thermo Fisher Scientific | 11320033 | Testy różnicowania |
| FastDigest EcoR1 | Thermo Scientific | FD0274 | Trawienie restrykcyjne |
| Fibronektyna | Sigma Aldrich | F2518 | Testy różnicujące |
| Giemsa Stain | HiMedia | S011 | G Pasaż |
| Lodowaty kwas octowy | HiMedia | AS001 | Utrwalacz do kariotypowania |
| Glukoza | Sigma Aldrich | G7528 | Testy różnicowania |
| GlutaMAX | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | Pluripotencja i pożywka dla embrionów |
| Heparyna sodowa | Sigma Aldrich | H3149 | Testy różnicowania |
| Roztwór insuliny ludzkiej | Sigma Aldrich | I9278 | Testy różnicowania |
| Insulina Transferyna Selenit | Sigma Aldrich | I1884 | Testy różnicujące |
| Zestaw KAPA HiFi PCR | Kapa Biosystems | KR0368 | OriP, EBNA1 PCR |
| KaryoMAX Colcemid | Thermo Fisher Scientific | 15210040 | Zatrzymanie mitotyczne do kariotypowania |
| Nokaut DMEM | Thermo Fisher Scientific | 10829018 | Pluripotencja i zarodek |
| podłoże KnockOut Wymiana surowicy | Thermo Fisher Scientific | 10828028 | Pożywka dla pluripotencji i zarodków |
| Luria Bertani agar | HiMedia | M1151F | Oczyszczanie plazmidu |
| Matrigel | BD Biosciences | 356234 | Testy różnicowania |
| MEM Aminokwasy endogenne | Thermo Fisher Scientific | 11140035 | Pluripotencja i pożywka dla embrionów |
| Metanol | HiMedia MB113 | Utrwalacz do kariotypowania | |
| Miozyna komorowy łańcuch ciężki &alfa;/β | Millipore | MAB1552 | Immunocytochemia |
| NHDF Zestaw nukleofektorów | Lonza | VAPD-1001 | Nucleofekcja |
| Paraformaldehyd (PFA) | Sigma Aldrich | P6148 | Mocowanie komórek |
| pCXLE-hOCT3/ 4-SHP53-F | Addgene | 27077 | Przeprogramowanie epizodyczne Plazmid |
| pCXLE-hSK | Addgene | 27078 | Plazmid przeprogramowania epizodycznego |
| pCXLE-hUL | Addgene | 27080 | Przeprogramowanie episomalne Penicylina plazmidowa |
| Streptomycyna | Thermo Fisher Naukowy, | 15070063 | Pluripotencja i pożywka dla embrionów |
| Phalloidyna- Tetrametylorodamina B izotiocyjanian | Sigma Aldrich | P1951 | Immunocytochemia |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami | Sigma Aldrich | P4417 | 1 X PBS 1 tabletka PBS rozpuszczona w 200 ml wody dejonizowanej i wysterylizowana w autoklawie Przechowywanie: Temperatura pokojowa. PBST- 0,05% Tween 20 in 1X PBS. Przechowywanie: Temperatura pokojowa. |
| Zestaw do oczyszczania plazmidu - Midi prep | QIAGEN | 12143 | Oczyszczanie plazmidu |
| Roztwór chlorku potasu | HiMedia | MB043 | Hipotoniczny roztwór do kariotypowania |
| QIAamp DNA Zestaw krwi | Qiagen | 51104 | Izolacja genomowego DNA |
| RPMI 1640 | Thermo Fisher Scientific | 11875093 | Pożywka do różnicowania hepatocytów |
| Cytrynian sodu | HiMedia | RM255 | Hipotoniczny roztwór do kariotypowania |
| Triton X-100 | HiMedia | MB031 | Permeabilizacja |
| Trypsyna-EDTA (0,05%) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 25300054 | Subkultura fibroblasty kosmków kosmówkowych płodu |
| Tween 20 | HiMedia | MB067 | Przygotowanie PBST& |
| beta; III tubulina | Sigma Aldrich | T8578 | Immunocytochemia |
| Y-27632 dichlorowodorek | Sigma Aldrich | Y0503 | Testy różnicujące |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.