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Developmental Biology

Un metodo semplice per identificare le cinasi che regolano la pluripotenza delle cellule staminali embrionali mediante screening di inibitori ad alta percentuale

Published: May 12, 2017 doi: 10.3791/55515

Summary

Qui presentiamo un protocollo quantitativo e scalabile per eseguire schermate di piccole molecole mirate per i regolatori di chinasi della transizione pluripotente con primato naïve.

Abstract

Le cellule staminali embrionali (ESC) possono auto-rinnovarsi o differenziarsi in tutti i tipi di cellule, un fenomeno noto come pluripotenza. Sono stati descritti diversi stati pluripotenti, chiamati pluripotenza "naïve" e "primed". I meccanismi che controllano la transizione naïve-primed sono poco compresi. In particolare, siamo ancora poco informati sulle chinasi di proteine ​​che specificano stati pluripotenti naïve e primed, nonostante la crescente disponibilità di composti di utensili di alta qualità per la funzione di chinasi di sonda. Qui descriviamo una piattaforma scalabile per eseguire schermature di piccole molecole mirate per i regolatori di chinasi della transizione pluripotente con primato naïve in ESC del mouse. Questo approccio utilizza semplici condizioni di coltura cellulare e reagenti standard, materiali e attrezzature per scoprire e convalidare inibitori di chinasi con effetti fino ad oggi non apprezzati sulla pluripotenza. Discutiamo le potenziali applicazioni per questa tecnologia, tra cui lo screening di altre piccole molecoleRaccolte come inibitori sempre più sofisticati di chinasi e librerie emergenti di composti di utensili epigenetici.

Introduction

Le cellule staminali embrionali (ESC) hanno la capacità di auto-rinnovare o differenziarsi in qualsiasi tipo di cellula nel corpo adulto, fenomeno noto come pluripotenza 1 . Recenti testimonianze indicano che esistono stati pluripotenti distinti nello sviluppo, chiamati pluripotenza "naïve" e "primed" 2 . Gli ESC Naïve rappresentano uno stato di sviluppo simile a quello trovato nell'embrione preimplantato 3 . Al contrario, ESC pluripotenti primati sono pronti per uscire dalla pluripotenza e differenziarsi in linee embrionali specializzate 4 , 5 .

Gli stati pluripotenti naïve e primati sono contrassegnati da reti regolatori genetiche distinte. La pluripotenza naïve è caratterizzata dall'espressione di fattori di trascrizione pluripotenziali chiave come Nanog, Krueppel-like fattori di trascrizione (Klfs), Rex1 2 e Esrrb 7 . In vivo , le cellule staminali epiblast (EpiSCs) 4 , 5 impiegate in pluripotenza primaria hanno inoltre espresso il marker Epiblast Fgf5 e marcatori di primogenitura di lineage come Brachyury 8 .

I mESC forniscono un modello tracciato per sondare meccanismi che controllano le transizioni pluripotenti iniettate a iniezione in vitro . Quando si coltivano in fattore di inibizione delle leucemie (LIF) e serum bovino fetale (FBS), i mESC subiscono una transizione dinamica tra stati pluripotenti naïve e primed 9 , 10 . Funzioni di segnalazione LIF-Jak-Stat3 per promuovere una rete di regolazione genica naïve 11 12 . Tuttavia, rimane una sfida per valutare sistematicamente il ruolo delle proteine ​​chinasi nel specificare distinti stati pluripotenti.

Qui descriviamo una piattaforma quantitativa e scalabile che consente di eseguire schermature di piccole molecole mirate per i regolatori di chinasi della transizione pluripotente con primato naïve. Usiamo semplici condizioni di coltura mESC e reagenti standard, materiali e attrezzature per scoprire e convalidare inibitori di chinasi con capacità fino a oggi non apprezzata per stabilizzare la pluripotenza ingenua. Inoltre discutiamo potenziali applicazioni estese per questa tecnologia, anche per lo screening di altre collezioni di piccole molecole, come le librerie di inibitori emergenti che mirano a regolatori epigenetici.

Protocol

1. Collazione di librerie di inibitori di piccole molecole

  1. Librerie di inibitori di collazione di collezioni di inibitori di chinasi pubblicamente accessibili, ad esempio Biblioteca di Integrated Network Signature Cellular (LINCS) della Harvard Medical School, una raccolta mirata di 228 potenti e selettivi selettori di chinasi (http://lincs.hms.harvard.edu) , E il Set di inibitori della proteina (PKIS), una collezione composta 376 assemblata da ricercatori industriali (https://www.ebi.ac.uk/chembldb/extra/PKIS) 13 . In alternativa, assemblare una raccolta di inibitori chinasi su misura da composti disponibili in commercio.
    NOTA: Nel nostro laboratorio abbiamo assemblato una raccolta di 72 inibitori potenti e selettivi di chinasi di attrezzi che coprono 51 chinasi di destinazione primarie, tutte disponibili da fonti commerciali.
  2. Assemblare inibitori di chinasi in piastre a 96 pozzetti per un'elaborazione ottimale di elevata produttività a diverse concentrazioni (usa 1, 0,1 aNd 0,01 mM). Includere in ogni pozzetto di controllo delle piastre contenenti solo DMSO e inibitori di controllo di riferimento PD173074 (FGFRi) e Ruxolitinib (JAKi), che sono noti per promuovere rispettivamente stati pluripotenti naïve e primed. Annotare in un foglio di calcolo o un software simile.

2. Condizioni e procedure di cultura del mESC per la preparazione dello schermo

  1. Preparare i piatti da 10 cm di gelato rivestiti allo 0,1% aggiungendo 5 ml di gelatina 0,1% (w / v) a piastre da 10 cm e incubare a temperatura ambiente per 5 min. Aspirare la gelatina e lasciare la piastra secca per 2 min.
  2. Coltivare qualsiasi linea standard mESC a 37 ° C 5% CO 2 su 0,1% piastre rivestite in gelatina da 10 cm in media mESC media (vedi tabella materiali) contenenti 100 ng / ml GST-LIF, 10% fetale calf serum e 5% Knockout serum Sostituzione. Sostituire i supporti ogni giorno e passare i mESC a circa 80% confluenza ogni secondo giorno ad una diluizione di 1: 5-1: 10.
  3. Per passare i mESC, aspirare i supporti e lavare con 5 ml oF salina fosforata tamponata (PBS) per piastra.
  4. Aggiungere 1 mL di trysina-EDTA (0,05% di Trypsina, 0,02% EDTA) per piastra di mESC e incubare a 37 ° C per 10 minuti.
  5. Resuspendere le cellule trypsinizzate in 4 mL di supporto mESC e centrifugare a 1.200 giri / min per 5 min.
  6. Riposizionare completamente il pellet cellulare in 5 ml di media mESC, pipettando su e giù per generare una sospensione di una singola cellula.
  7. Contare le cellule combinando una sospensione cellulare di 10 μl e 10 μL di Trypan Blue (0,4%). Inserire in una camera di conteggio delle celle o utilizzare un emocytometro e un microscopio leggero.
  8. Sementi 3 x 10 3 mESC in piastre a 96 pozzetti rivestiti con gelatina del 0.1%, volume finale 100 μL di supporti, utilizzando una pipetta multicanale.
  9. Applicare inibitori di chinasi a diluizione 1: 100 (inibitore di 1 μl aggiunto a 100 μL di supporto) utilizzando una pipetta multicanale. Infine pipetta media per mescolare l'inibitore e la sospensione cellulare, quindi lasciare che le cellule si stabiliscano in una cappa di coltura tissutale per 1 h per garantire una distribuzione uniforme acroSs la superficie di placcatura. Le cellule di coltura per 48 h senza cambiare il supporto.
    NOTA: Le lastre di riserva di 1 / 0,1 / 0,01 mM daranno una concentrazione finale di inibitori rispettivamente di 10/1 / 0,1 μM. Si consiglia di avviare lo schermo ad una concentrazione finale di 1 μM per assicurare un'efficace inibizione delle chinasi di destinazione primaria riducendo al minimo gli effetti fuori bersaglio.

3. Analisi della screening di inibitori della chinasi

  1. Lavare le piastre mESC a 96 pozzetti in 200 μl di PBS usando aspiratore e pipette multicanale.
  2. Realizzare gli estratti di cellule in 150 μl di tampone di lisi (20 mM Tris pH 7.4, 150 mM NaCl, 1 mM EDTA, 1% NP-40 (v / v), 0,5% sodio deossicolato (w / v), 10 mM β-glicerofosfato , 10 mM di sodio pirofosfato, 1 mM NaF, 2 mM Na 3 VO 4 , Completi Compresi di Proteas Inhibitore Cocktail).
  3. Determinare gli estratti per centrifugazione a 1.500 xg per 30 minuti in piastre a 96 pozzetti a fondo V.
  4. Immobilizzare 100 μL di supernatanti su un nitrocelMembrana lulosa utilizzando un collettore a macchia a vuoto a 96 pozzetti.
  5. Asciugare la membrana e macchiare con 40 ml di Ponceau S per garantire un trasferimento costante.
  6. Lavare la membrana con TBST e bloccare il latte TBST / 3% (w / v).
  7. Incubare in anticorpi Nanog e Dnmt3b a una diluizione di 1: 1.000 (v / v) in TBST / 3% (w / v) di latte in polvere durante la notte.
  8. Lavare le membrane in 3 x 10 min in TBST e incubare in 30 mL di anticorpi secondari ad una diluizione di 1: 10.000 (v / v) nel latte TBST / 3% (w / v).
  9. Sviluppare utilizzando un sistema di imaging digitale immunoblotting.
    NOTA: se possibile, utilizzare l'immunoblotting quantitativo di fluorescenza per rilevare Nanog e Dnmt3b. Tuttavia, il segnale di fondo per Dnmt3b da immunoblotting a fluorescenza è troppo elevato. Pertanto, vengono impiegati anticorpi anti-coniglio (Nanog) e anti-mouse-HRP (Dnmt3b) a fluorescenza da 800 nm.

4. Analisi dei dati dello schermo e valida degli inibitori come regolatori pluripotenziali Bona Fide

  1. Quantificare il segnale Nanog e Dnmt3b utilizzando il software di analisi immunoblotting e importare i valori in un foglio di calcolo o in un software simile. Calcola il rapporto Nanog: Dnmt3b per tutti i campioni rispetto al controllo DMSO. Inoltre, determinare il totale del segnale Nanog e Dnmt3b per garantire che gli inibitori della chinasi non influenzino il rapporto Nanog: Dnmt3b modificando la vitalità del mESC.
  2. Utilizzare i rapporti Nanog: Dnmt3b per identificare gli inibitori che promuovono la pluripotenza ingenua (Nanog: rapporto Dnmt3b superiore al controllo) e la pluripotenza primaria (rapporto Nanog: Dnmt3b inferiore al controllo). Impostare il cut-off a 2 ° deviazione dai valori di controllo e filtrare gli inibitori di chinasi che producono un segnale totale Nanog + Dnmt3b inferiore aIl 50% del valore di controllo DMSO per generare un'elevata lista di fiducia degli inibitori di chinasi che stabilizzano stati pluripotenti a livello naïve (rapporto High Nanog: Dnmt3b) e primati (basso Nanog: Dnmt3b ratio).
  3. Validare gli inibitori della chinasi mediante la semina di mESC a 2 x 10 5 cellule per 6 pozzetti in 2 mL di media e aggiungere inibitori di chinasi a 1 μM per 48 h senza cambiare supporto.
  4. Lyse mESCs nel buffer di lisi e analizzare l'espressione di Nanog e Dnmt3b mediante immunoblotting convenzionale SDS-PAGE.
  5. Inoltre convalidare i colpi con l'immunoblotting SDS-PAGE per i marker naif pluripotenza Klf2 e Klf4 e Oct4 per assicurare che la pluripotenza sia mantenuta dopo un trattamento inibitore di 48 ore.

Representative Results

Utilizzando la procedura presentata qui ( Figura 1 ), viene visualizzata la libreria LINCS di 228 inibitori potenti e selettivi di chinasi per identificare quelli che modulano la pluripotenza del mESC. La biblioteca viene preparata ad una concentrazione di 0,1 mM per una diluizione 1: 100 e la concentrazione finale di screening di 1 μM nei mESC. 48 h più tardi, i mESCs sono stati lisati e gli estratti preparati per l'analisi quantitativa di macchie a macchia di Nanog e Dnmt3b espressione ( Figura 2 , in alto). I risultati di altre concentrazioni di screening non sono qui rappresentati per brevità. Nanog: il rapporto Dnmt3b è determinato per ogni inibitore delle chinasi e i composti classificati e un cut-off 2x applicato ( Figura 2 , in basso). Il totale del segnale Nanog e Dnmt3b relativo al controllo è sovrapposto alla classifica degli inibitori e sottoposto a una cut-off di 0,5x per consentire la triificazione degli inibitori che mostrano una significativa tossicità del mESC. Selezionare inibitori di chinasi che stabilizzano la stabilità naïveSono convalidate utilizzando convenzionali nanoblocco di Nanog / Dnmt3b ( Figura 3 ). Gli obiettivi primari di chinasi di questi inibitori sono presentati nella Tabella 1 . Inoltre dimostriamo l'applicabilità di questo schermo per identificare inibitori che stabilizzano lo stato iniziato 14 .

Figura 1
Figura 1: Flusso di lavoro per la screening di inibitori di chinasi che modulano la transizione naïve-primed. Il mESC è stato trattato con una libreria di inibitori della chinasi di composto 228 ad una concentrazione finale di 1 μM. I lisati sono stati preparati e trasferiti su membrane di nitrocellulosa per l'analisi immuno dot-blot e determinati i livelli di Nanog e Dnmt3b (Figura adattata da Williams e altri 14 ). Clicca qui per visualizzare al Versione di questa figura.

figura 2
Figura 2: Analisi dello schermo di pluripotenza a iniqua e identificazione dell'inibitore. (Top) Rappresentative Nanog e Dnmt3b immuno dot-blot immagini. (In basso) I valori Nanog e Dnmt3b per ciascun inibitore di chinasi sono stati determinati rispetto al controllo DMSO e sono stati determinati i rapporti Nanog: Dnmt3b e il relativo rapporto Nanog + Dnmt3b e gli inibitori classificati in confronto al controllo DMSO. Gli inibitori trovati per alterare il rapporto Nanog: Dnmt3b oltre una soglia di 2 volte sopra o sotto il controllo DMSO sono stati identificati come driver della pluripotenza naïve o primata. Una soglia di 2x sotto il controllo DMSO è stata impostata per inibitori di triage che compromettono la sopravvivenza del mESC. Sono evidenziati gli inibitori selezionati per l'ulteriore validazione. (Figura adattata da Williams e altri 14 ).S / ftp_upload / 55515 / 55515fig2large.jpg "target =" _ blank "> Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3: Validazione di composti di successo selezionati identificati. I mESC sono stati trattati con 1 μM AZD4547 (un inibitore selettivo di FGFR) o gli inibitori indicati dallo schermo in Figura 2. Nanog: i livelli di Dnmt3b determinati con standard SDS-PAGE e analisi immunoblot. I valori numerici del relativo Nanog: Dnmt3b e Nanog + Dnmt3b sono indicati nella tabella sottostante e inibitori che stabilizzano lo stato pluripotente ingenuo evidenziato in verde. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Composto Obiettivi primari Altri obiettivi
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 e TAO1
GW786034 VEGFR1 VEGFR2, VEGFR3 &# 160;
AZD-1480 JAK2

Tabella 1: Composti selezionati e loro target primario di chinasi.

Discussion

Qui dimostriamo una metodologia ampiamente accessibile per sondare il ruolo delle vie di segnalazione di chinasi nella regolazione della transizione pluripotente con primato naïve. Questo affronta una domanda fondamentale nel campo ESC. Sebbene gli approcci di genomica ad alta trasmissione e di transcriptomics siano utilizzati abitualmente per identificare i regolatori trascrizionali chiave di stati pluripotenti naïve e innescati, la chiarificazione delle reti di segnalazione di pluripotenza si è dimostrata impegnativa. Ora forniamo una strategia flessibile che impiega gli inibitori chimici per identificare le chinasi che controllano la transizione pluripotente iniettabile a livello mESC. Questo si basa su semplici apparecchiature, reagenti e materiali che sono disponibili per la maggior parte dei laboratori che studiano la segnalazione delle cellule e la biologia ESC. Critico per il successo di questa piattaforma è il nostro sviluppo di un saggio robusto per quantificare la transizione tra stati pluripotenti naïve e primed. La creazione di questo test ha richiesto significative modificazioni iterative alla cell platDensità, tempo di incubazione degli inibitori e condizioni di immunoblotting.

Gli approcci di piccole molecole stanno guadagnando trazione per un uso razionale nelle applicazioni ESC terapeutiche 15 , 16 . Una grande forza di screening di piccole molecole è che i composti degli utensili sono progettati e / o modificati per una efficiente assorbimento cellulare. L'efficienza della trasfusione non è limitativa e l'uso di sistemi di erogazione pericolosi come il lentivirus non è necessario. Inoltre, gli inibitori inibiscono frequentemente molteplici isoforme all'interno di una famiglia di chinasi ( es. Fgfr1-4, Jak1-3), che supera la ridondanza funzionale che ostacola le tecniche di interferenza genetica / genomica come RNAi e CRISPR / Cas9. Poiché i composti di utensili più potenti e selettivi diventano disponibili sia dai programmi accademici che da quelli farmaceutici, le chinasi sottoelencate e poco comprese saranno spinte in prima linea nella ricerca ESC. Proponiamo pertanto questo alto livelloL'approccio di screening dei ruderi aprirà nuovi percorsi di ricerca nelle reti normative del sistema ESC.

Una limitazione minore di questa tecnologia è che anche gli inibitori di piccole molecole più potenti e selettivi impegnano e inibiscono più chinasi non correlati in vivo . Tuttavia, i dati sempre più complessi di profilassi di inibitori di chinasi consentono di identificare facilmente gli obiettivi funzionali degli inibitori di chinasi (http://lincs.hms.harvard.edu/kinomescan; http://www.kinase-screen.mrc.ac.uk/kinase -inibitori). Infine, in linea di principio la nostra piattaforma può essere applicata per interrogare ogni collezione di piccole molecole e / o il dosaggio cellulare per cui sono disponibili anticorpi immunoblottanti di alta qualità. Ciò consentirà di studiare più sistemi regolatori in regolazione pluripotenziaria e facilitare l'identificazione di inibitori di piccole molecole che modificano diversi processi cellulari. In particolare, si pensa che l'applicazione di piccole molecole emergenti come l'epigeneLe sonde TIC sviluppate dal Consorzio di Genomica Strutturale (http://www.thesgc.org/chemical-probes/epigenetics) hanno il potenziale per scoprire ulteriori nuovi regolatori di transizioni pluripotenti.

Disclosures

Gli autori non dichiarano conflitti di interesse derivanti da questo studio.

Acknowledgments

Il CACW è sostenuto da una dipartimento di dottorato di ricerca di Medical Research Council. Il GMF è sostenuto in parte da un premio New Investigator Council Research Council (MR / N000609 / 1) e da una sovvenzione di ricerca Tenovus Scotland.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
mESC media
CCE mESCs ATCC ATCC SCRC-1023
DMEM Media Gibco 11965092
L-Glutamine Gibco 25030081 Final: 2 mM
Penicillin/Streptomycin Gibco 15140122 Final: 50 U/ml
2-mercaptoethanol Sigma M6250 Final: 0.1 mM
Leukemia Inhibitory Factor (GST fusion) MRC-PPU reagents and services Final: 100 ng/mL
Leukemia Inhibitory Factor Thermo PMC9484 Final: 100 ng/mL
Non-Essential Amino Acids Gibco 11140050 Final: 0.1 mM
Sodium Pyruvate Gibco 11360070 Final: 1 mM
KnockOut Serum Replacement Invitrogen 10828-028 Final: 5%
Defined Fetal Bovine Serum Fisher 10703464 Final: 10%
Name Company Catalog Number Comments
TC materials
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red Thermo 25300054 
Gelatin from porcine skin Sigma 1890
Nunc MicroWell 96-Well Microplates Thermo 156545
DPBS, no calcium, no magnesium Gibco 14190136
V-bottom 96 well plates Greiner Bio-one 651261
Name Company Catalog Number Comments
Lysis Buffer
Tris buffer VWR 103157P
Sodium Chloride VWR 97061
EDTA Sigma E4884
1% NP-40 Sigma 9016-45-9
Sodium Deoxycholate Sigma D6750-100g
β-glycerophosphate Sigma G9422
Sodium Pyrophosphate Sigma 13472-36-1
Sodium Fluoride Sigma 450022
Sodium Orthovanadate Sigma 450243
Roche Complete Protease Inhibitor Cocktail Tablets Sigma CO-RO
Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
Tween Sigma P1379-1L
Milk Powder Marvel
Name Company Catalog Number Comments
Western Blotting
Protran BA 85 Nitrocellulose 0.45 &micor;M  Pore size (20 cm x 20 cm Sheets) (25 Sheet) GE 10401191
Ponceau S Sigma P7170-1L
Name Company Catalog Number Comments
Laboratory Equipment
Minifold I System GE 10447850
ChemiDoc imager BioRad 1708280 
LiCor Odyssey Imager LiCor
Name Company Catalog Number Comments
Antibodies
Anti-mouse Nanog Reprocell RCAB001P
Anti-Dnmt3b Imgenex IMG-184A
IRDye 800CW Donkey anti-Rabbit Licor 926-32213
Anti-mouse-HRP Cell Signalling Technology 7076S
Anti-Klf2 Millipore 09-820
Anti-Klf4 R&D Systems AF3158
Anti-Oct4 Santa Cruz sc-5279

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References

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Williams, C. A. C., Gray, N. S., Findlay, G. M. A Simple Method to Identify Kinases That Regulate Embryonic Stem Cell Pluripotency by High-throughput Inhibitor Screening. J. Vis. Exp. (123), e55515, doi:10.3791/55515 (2017).

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