Метод альтернативной культуры для поддержания геномной Hypomethylation мышиных эмбриональных стволовых клеток с использованием MEK ингибитор PD0325901 и витамином С
Summary
Мы подробно описаны два химической основе протоколы для культивирования мышиных эмбриональных стволовых клеток. Этот новый метод использует синергетический механизмы содействия тет опосредованной окисления (витамин C) и подавления de novo синтеза 5-метилцитозин (по PD0325901) для поддержания ДНК hypomethylation и плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток мыши.
Abstract
Эмбриональных стволовых (ES) клетки способны дифференцироваться в любой из трех зародышевых (Эндодерма, мезодермы или эктодермы) и может генерировать много линий для регенеративной медицины. ES клеток культуры в vitro уже давно предметом широкой озабоченности. Классически, клетки мыши ES поддерживаются в сыворотке и лейкемия ингибирующего фактор (LIF)-содержащих среднего. Однако в сыворотке/LIF условиях, клетки Показать разнородность в морфологии и профиль выражение генов, связанных с плюрипотентности и в основном в метастабильного состояния. Кроме того культивируемых клеток ES выставку глобального hypermethylation, но наивно ES клеток внутренней клеточной массы (ICM) и первичных зародышевых клеток (PGCs) находятся в состоянии глобального hypomethylation. Hypomethylated Состояние ICM и PGCs тесно связан с их плюрипотентности. Чтобы улучшить методы культуры клетки мыши ES, мы недавно разработали новый метод, основанный на выборочно комбинированного использования двух соединений мелкомолекулярных поддерживать состояние hypomethylated и плюрипотентных ДНК. Здесь мы представляем, что совместное лечение дефицита витамина C (Vc) и PD0325901 можно стереть около 90% 5-метилцитозин (5мс) на 5 дней в ES клеток мыши. Содержание созданных 5мс сопоставим с в PGCs. Механистический расследование показывает, что PD0325901 вверх регулирует выражение Prdm14 для подавления Dnmt3b (de novo ДНК метилтрансфераза) и Dnmt3l (кофактор Dnmt3b), уменьшая 5мс синтеза de novo . VC облегчает преобразование 5мс 5-Гидроксиметилцитозин (5hmC) главным образом катализируемые Tet1 и Tet2, указывающее участие пассивного и активного demethylations ДНК. Кроме того Vc/PD0325901 условиях, клетки ES мыши Показать однородной морфологии и плюрипотентных государства. Коллективно мы предлагаем Роман и химико Синергия культуры метод для достижения hypomethylation ДНК и поддержания плюрипотентности в клетки мыши ES. Метод химического зависимых мелкомолекулярных преодолевает основные недостатки сыворотки культуры, и держит обещание сформировать однородные клетки ES для дальнейшего клинического применения и исследования.
Introduction
Клетки ES возникли от ICM бластоциста1. Клетки находятся в состоянии плюрипотентности и могут образовывать все соматические линий и микрофлорой клетки2. Создание клеток ES обеспечивает возможность исследовать развитие процессов в пробирке и может генерировать клетки медицинской значимости для регенеративной медицины, основанной на их плюрипотентности3.
Seminally созданы две группы линий клетки мыши ES в 1981 году и когда клетки, полученные из раннего эмбриона мыши были культивировали в плода бычьим сывороточным (ФБС)-содержащих средний с мыши эмбриональных фибробластов (MEFs) как фидер слой1,4 . MEFs были инактивированных mitotically и предварительно были выращены в блюда до культивирования клеток ES. MEFs обеспечивают поддержку для мыши ES клеток вложения и производят факторов роста для содействия распространению и подавления дифференциация5, в то время как FBS предлагает основные трофических факторов и гормоны для пролиферации клеток. Последующие исследования указали, что LIF, производимые клетки фидера был ключевых цитокинов для самообновления и поддержания плюрипотентности в ES клеток мыши, и добавлением LIF в среду может подменить фидер клетки6. В настоящее время самообеспечение мыши ES клеток в среде FBS/LIF на кормушки-прежнему стандартный метод, принятый многими исследователями. Однако с этим подходом классической культуры возникают некоторые проблемы. Во-первых фидер клетки секретируют избыток и неконтролируемых факторов и может вызвать загрязнение патогенными7. Чтобы избежать этого вмешательства, покрытие поверхности блюда с желатином и добавлением LIF в сыворотке содержащих среднего, альтернативные методы для поддержания клеток мыши ES без подачи слоя клеток. Кроме того клетки ES мыши, выращенной в условиях, сыворотка/LIF экспонат морфологическая гетерогенность популяции клеток и даже уровень экспрессии факторов, связанных с плюрипотентности8. Последние исследования показывают, что в сыворотке/LIF условиях, связанных с плюрипотентности основных факторов транскрипции (включая SOX2, Nanog и OCT4) могут поддерживать плюрипотентности через LIF и WNT сигнализации; Однако в частности, они также активировать фибробластов фактор роста (ФБП) сигнал для запуска дифференцировки8. Из-за двойственной двойного действия основных факторов транскрипции мыши ES клетки культивировали в сыворотке представляют неоднородность, состоящий из двух взаимозаменяемых популяций, один похож на ICM и другой похожий загрунтовать Эпибласт государства8. Кроме того мышь ES клеток в сыворотке крови часто exhibit глобальной hypermethylation9, тогда как ICM и PGCs находятся в состоянии глобального hypomethylated, который тесно связан с их плюрипотентности9,10.
Существует значительный спрос для разработки новых методов для культивирования клеток мыши ES. С 2003 года11 были созданы несколько более протоколов, но продолжает быть некоторые ограничения и недостатки7. С 2008 года, комбинированного использования двух малых молекул протеинкиназы ингибиторов, PD0325901 (ингибитор Митоген активации протеинкиназы (MAPK) / внеклеточных сигналов регулируемой киназы (Эрк) (МЭК)) и CHIR99021 (ингибитора синтазы гликогена Киназа 3 (GSK3)), в N2B27 средних с LIF и без сыворотки открыло новые перспективы для культивирования мыши ES клеток12. Это новое средство определенных характеризуется использованием двух ингибиторов (2i). Мыши ES клетки культивировали в среде 2i/LIF более однородны в клеточных популяций и выражение плюрипотентности факторов. Кроме того клетки мыши 2i/LIF-культивированный ES экспонат ДНК hypomethylation глобально, который ближе к ICM-подобных клеток9,13. Несмотря на это 2i культура имеет свои недостатки. PD0325901 и CHIR99021 нерастворимы в воде и как правило, растворяются в диметилсульфоксида (ДМСО)-на основе фондовых решение, чтобы добавить их в питательную среду. Исследования показали, что долгосрочный и воздействия низких доз клеток ДМСО может привести к цитотоксичность14.
Здесь, мы использовали две небольшие молекулы соединений и разработали новый метод культуры клеток мыши ES. Роман культуры метод сочетает ингибитор PD0325901 Vc и MEK содействовать ДНК hypomethylation быстро и эффективно на сопоставимый уровень PGC, названный как Vc/PD0325901 культивирования протокола. Мышь ES клеток в среде Vc/PD0325901-добавлена сыворотки содержащих экспонат однородности в морфологии и выдержаны в первом состоянии. По сравнению с 2i культуры, мыши ES клетки культивировали в условиях Vc/PD0325901 выставку быстрее кинетика ДНК деметилирования и может достичь уровня hypomethylation, сопоставимую с PGC. Кроме того, использование одного ингибитора (PD0325901) уменьшает ввода ДМСО в среду по сравнению с используемой в 2i (PD0325901/CHIR99021) и уменьшает повреждения клеток.
Protocol
Representative Results
Discussion
В работе мы продемонстрировали новый метод сочетания Vc и PD0325901 для поддержания клеток мыши ES в недифференцированных и hypomethylated состоянии, которое было достигнуто путем синергических действий поощрения ДНК деметилирования, Vc и подавления de novo ДНК Метилирование по PD0325901. Кроме того к…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальный фонд Китая естественных наук (21435008 и 21327006 в США) и стратегических приоритетных исследований программа Китайской академии наук (XDB14030200 Г.У).
Materials
| fetal bovine serum Australia source | Corning | 35-076-CV | Component of mouse ES cell medium |
| DMEM/high glucose | Hyclone | SH30022 | Component of mouse ES cell medium |
| LIF | Millipore | ESG1107 | Component of mouse ES cell medium |
| non-essential amino acids (NEAA) | Gibco | 11140050 | Component of mouse ES cell medium |
| sodium pyruvate | Gibco | 11360070 | Component of mouse ES cell medium |
| L-glutamine | Gibco | 25030081 | Component of mouse ES cell medium |
| penicillin streptomycin solution | Gibco | 15140122 | Component of mouse ES cell medium |
| PBS | Sigma | P5493 | Cells rinse |
| trypsin | Hyclone | SH30042 | Cell dissociation |
| gelatin | Sigma | 48722 | Dishes coating |
| PD0325901 | Stemolecule | 04-0006-10 | small-molecule chemical for cell culture |
| CHIR99021 | Stemolecule | 04-0004 | small-molecule chemical for cell culture |
| vitamin C | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd | XW00508171 | small-molecule chemical for cell culture |
| Ultra Bioscience water purification systemr | Purelab | Ultra | Ultra water |
| DMSO | Sigma | D8418 | Cell freezing medium |
| centrifuger | Eppendorf | 5427R | DNA and protein extraction |
| protease inhibitor cocktail | Sigma | P8340 | Component of RIPA buffer |
| PMSF Protease Inhibitor | ThermoFisher Scientific | 36978 | Component of RIPA buffer |
| DTT | Sigma | 43815 | Component of RIPA buffer |
| EGTA | Sigma | E3889 | Component of RIPA buffer |
| Genomic DNA Purification Kit | Promega | A1125 | Genomic DNA extraction |
| NanoDrop 2000 | ThermoFisher Scientific | NanoDrop 2000 | Determination of DNA concentration |
| calf intestinal phosphatase | New England Biolabs | M0290 | DNA digestion |
| DNase I | New England Biolabs | M0303 | DNA digestion |
| snake venom phosphodiesterase I | Sigma | P4506 | DNA digestion |
| Nanosep 3K Omega | Pall | OD003C35 | filtration of digested DNA |
| 1290 UHPLC system | Agilent | 1290 | UHPLC separation |
| G6410B triple quadrupole mass spectrometer | Agilent | G6410B | MS/MS analysis |
| Zorbax Eclipse Plus C18 column | Agilent | Zorbax Eclipse Plus | colume for UHPLC separation |
| 5-methylcytosine | Solarbio Life Sciences | SM8900 | standard 5mC |
| 5-hydroxymethylcytosine (standard) | Toronto Research Chemicals | M295900 | standard 5hmC |
| Prdm14 antibody | bioworld | BS7634 | Western blot analysis-primary antibody |
| Dnmt3a antibody | bioworld | BS6587 | Western blot analysis-primary antibody |
| Dnmt3b antibody | abcam | ab13604 | Western blot analysis-primary antibody |
| Dnmt3l antibody | abcam | ab3493 | Western blot analysis-primary antibody |
| Dnmt1 antibody | abcam | ab13537 | Western blot analysis-primary antibody |
| β-tubulin antibody | bioworld | BS1482MH | Western blot analysis-primary antibody |
| goat anti-rabbit IgG | abcam | ab6721 | Western blot analysis-secondary antibody |
| goat anti-mouse IgG | abcam | ab6789 | Western blot analysis-secondary antibody |
| Trizol | Invitrogen | 15596-026 | RNA extraction |
| reverse transcription system | Promega | A3500 | RNA reverse transcription |
| GoTaq qPCR Master Mix | Promega | A6001 | RT-PCR |
| StemTAG alkaline phosphatase staining and activity assay kit | Cells Biolabs, Inc. | CBA-302 | alkaline phosphatase staining analysis |
| mouse ES cells: WT, 129 SvEv | Provided by Professor Guoliang Xu (Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China) | cell strain of mouse ES cells | |
| microscope | Zeiss | LSM510 | cells observation |
| GraphPad Prism 5.0 | GraphPad Prism Software Inc. | 5.0 | statistical analysis |
References
- Evans, M. J., Kaufman, M. H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature. 292 (5819), 154-156 (1981).
- Smith, A. G. Embryo-derived stem cells: of mice and men. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 17, 435-462 (2001).
- Murry, C. E., Keller, G. Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell. 132 (4), 661-680 (2008).
- Martin, G. R. Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by teratocarcinoma stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 78 (12), 7634-7638 (1981).
- Eiselleova, L., et al. Comparative study of mouse and human feeder cells for human embryonic stem cells. Int. J. Dev.Biol. 52 (4), 353-363 (2008).
- Williams, R. L., et al. Myeloid leukaemia inhibitory factor maintains the developmental potential of embryonic stem cells. Nature. 336 (6200), 684-687 (1988).
- Tamm, C., Galitó, S. P., Annerén, C. A comparative study of protocols for mouse embryonic stem cell culturing. Plos One. 8 (12), e81156 (2013).
- Yamaji, M. PRDM14 ensures naive pluripotency through dual regulation of signaling and epigenetic pathways in mouse embryonic stem cells. Cell Stem Cell. 12 (3), 368-382 (2013).
- Ficz, G., et al. FGF signaling inhibition in ESCs drives rapid genome-wide demethylation to the epigenetic ground state of pluripotency. Cell Stem Cell. 13 (3), 351-359 (2013).
- Smith, Z. D., et al. A unique regulatory phase of DNA methylation in the early mammalian embryo. Nature. 484 (7394), 339-344 (2012).
- Ying, Q. L., Nichols, J., Chambers, I., Smith, A. BMP induction of Id proteins suppresses differentiation and sustains embryonic stem cell self-renewal in collaboration with STAT3. Cell. 115 (3), 281-292 (2003).
- Ying, Q. L., et al. The ground state of embryonic stem cell self-renewal. Nature. 453 (7194), 519-523 (2008).
- Leitch, H. G., et al. Naive pluripotency is associated with global DNA hypomethylation. Nat. Struct. Mol. Biol. 20 (3), 311-316 (2013).
- Galvao, J., Davis, B., Tilley, M., Normando, E., Duchen, M. R., Cordeiro, M. F. Unexpected low-dose toxicity of the universal solvent DMSO. FASEB J. 28 (3), 1317-1330 (2014).
- Yin, R., et al. Ascorbic acid enhances Tet-mediated 5-methylcytosine oxidation and promotes DNA demethylation in mammals. J. Am. Chem. Soc. 135 (28), 10396-10403 (2013).
- Guerra, A. D., Rose, W. E., Hematti, P., Kao, W. J. Minocycline modulates NFκB phosphorylation and enhances antimicrobial activity against Staphylococcus aureus in mesenchymal stromal/stem cells. Stem Cell Res. Ther. 8 (1), 171 (2017).
- Blaschke, K., et al. Vitamin C induces Tet-dependent DNA demethylation and a blastocyst-like state in ES cells. Nature. 500 (7461), 222-226 (2013).
- Tahiliani, M., et al. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science. 324 (5929), 930-935 (2009).
- Wu, H., Zhang, Y. Mechanisms and functions of Tet protein-mediated 5-methylcytosine oxidation. Genes Dev. 25 (23), 2436-2452 (2011).
- Inoue, A., Zhang, Y. Replication-dependent loss of 5-hydroxymethylcytosine in mouse preimplantation embryos. Science. 334 (6053), 194 (2011).
- He, Y. F., et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA. Science. 333 (6047), 1303-1307 (2011).
- Maiti, A., Drohat, A. C. Thymine DNA glycosylase can rapidly excise 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine: Potential implications for active demethylation of CpG sites. J. Biol. Chem. 286 (41), 35334-35338 (2011).
- Habibi, E., et al. Whole-genome bisulfite sequencing of two distinct interconvertible DNA methylomes of mouse embryonic stem cells. Cell Stem Cell. 13 (3), 360-369 (2013).
- von Meyenn, F., et al. Impairment of DNA methylation maintenance is the main cause of global demethylation in naive embryonic stem cells. Mol. Cell. 62, 848-861 (2016).
- Li, C., Liu, B., Zhong, S., Wang, H. MEK inhibitor PD0325901 and vitamin C synergistically induce hypomethylation of mouse embryonic stem cells. Oncotarget. 7 (26), 39730-39739 (2016).
- Hackett, J. A., et al. Synergistic mechanisms of DNA demethylation during transition to ground-state pluripotency. Stem Cell Reports. 1 (6), 518-531 (2013).
- Nakaki, F., Saitou, M. PRDM14: a unique regulator for pluripotency and epigenetic reprogramming. Trends Biochem. Sci. 39 (6), 289-298 (2014).
- Nichols, J., Smith, A. Pluripotency in the embryo and in culture. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 4 (8), (2012).
