Identificación de marcadores de superficie celular de células madre neuronales primarias y células progenitoras por etiquetado metabólico de sialoglicano

Summary

Aquí se presenta un protocolo que combina un sistema de cocultivo endotelial neuronal in vitro e incorporación metabólica de sialoglicano con grupos funcionales bioortogonales para expandir las células primarias del tallo neural y del progenitor y etiquetar su superficie sialoglycoproteínas para el análisis de imágenes o espectrometría de masas de marcadores de superficie celular.

Abstract

Las células neurales del tallo y del progenitor (SSPC) son la base celular de las complejas estructuras y funciones del cerebro. Se encuentran en nichos especializados in vivo y pueden ser aislados y ampliados in vitro,sirviendo como un recurso importante para el trasplante de células para reparar el daño cerebral. Sin embargo, los SSPCE son heterogéneos y no están claramente definidos a nivel molecular o purificados debido a la falta de marcadores específicos de la superficie celular. El protocolo presentado, que se ha informado previamente, combina un sistema de cocultivo endotelial endotelial con un método de etiquetado de glicano metabólico para identificar el sialoglycoproteome superficial de los SSPCE primarios. El sistema de cocultura Endotelial NSPC permite la auto-renovación y expansión de los SCP primarios in vitro,generando un número suficiente de SSPCs. grupos funcionales bioortogonales. Al comparar el sialoglycoproteome de los SSPN autorenovadores expandidos en un cocultivo endotelial con el cultivo neural diferenciador, identificamos una lista de proteínas de membrana que se enriquecen en los SSP. En detalle, el protocolo implica: 1) la configuración de una cocultura endotelial NSPC y una cultura diferenciadora de la NSPC; 2) etiquetado con azidosugar per-O-acetilado N-azidoacetylmannosamine (Ac₄ManNAz); y 3) conjugación de biotina a sialoglycan modificado para la toma de imágenes después de la fijación del cultivo neural o extracción de proteínas del cultivo neural para el análisis de espectrometría de masas. A continuación, los candidatos de marcadores de superficie enriquecidos con NSPC se seleccionan mediante el análisis comparativo de datos de espectrometría de masas tanto de la NSPC expandida como de los cultivos neuronales diferenciados. Este protocolo es altamente sensible para identificar proteínas de membrana de baja abundancia en los materiales de partida, y se puede aplicar al descubrimiento de marcadores en otros sistemas con modificaciones apropiadas

Introduction

Las células madre neuronales se definen como una población celular multipotente que puede renovarse para mantener una piscina de células madre y diferenciarse en neuronas y glia. Son los principales tipos de células en el sistema nervioso y pueden ofrecer un gran potencial terapéutico en medicina regenerativa a través del trasplante celular en cerebros enfermos y lesionados^1,2. A medida que avanza el desarrollo, la población de células madre neurales se vuelve heterogénea^3,4, y la proporción de células madre neurales en el cerebro disminuye gradualmente⁵. En términos generales, las células madre neurales embrionarias y otras células progenitoras neuronales, denominadas colectivamente células madre neurales y progenitoras (SNCCP), se encuentran en las zonas germinales, la zona ventricular y la zona subventricular en ratones^6. En el cerebro embrionario, las células madre neurales generan neuronas directa o indirectamente a través de células progenitoras intermedias (ICD), y en algunas especies a través de los progenitores de la zona subventricular externa (ORGs)^7,8. La firma molecular específica, la morfología, la ubicación en el nicho de células madre y el potencial de diferenciación determinan el papel de cada subtipo en la organogénesis cerebral y las aplicaciones clínicas⁹. Sin embargo, los marcadores de superficie de celda disponibles actualmente no pueden discriminar y purificar inequívocamente diferentes subtipos de SENS, lo que limita la comprensión y utilización de estos subtipos.

La identificación de los marcadores de superficie de los SSPCCP primarios está limitada por tres obstáculos principales. El primero es el número limitado de células de SSPCCP en el tejido, lo que dificulta la preparación de muestras de proteínas de superficie celular para el análisis de espectrometría de masas común. La segunda limitación es la dificultad para producir subtipos de células puras para generar datos de proteínas de membrana específicos del subtipo. Por último, el tercer desafío es la baja proporción de proteínas de superficie celular en proteínas de células enteras, lo que dificulta sus sensibilidades de detección mediante el análisis de espectrometría de masas.

Para superar estos problemas, desarrollamos un enfoque quimioproteómico para enriquecer e identificar selectivamente las proteínas de la superficie celular en los SSP. primarios etiquetando metabólicamente las sialoglycoproteínas^10. Para generar un número suficiente de SSP. , aprovechamos un protocolo establecido para expandir y mantener los SSP. embrionarios primarios en estados indiferenciados in vitro, co-culturando SNCCP con líneas celulares endoteliales del cerebro de ratón utilizando un soporte permeable matriz inserto(p. ej., transwell) sistema¹¹. Por el contrario, los NPSC cultivados solos sin células endoteliales generan progenie diferenciada^11,12. Por lo tanto, las muestras de proteínas de estos dos sistemas de cultivo se pueden analizar comparativamente para identificar proteínas que se expresan diferencialmente en SNCCP y neuronas diferenciadas. Como la mayoría de las proteínas de la superficie celular son modificadas por ácido siálico¹³, precursor de ácido siálico no natural análogo N-azidoacetylmannosamine-tetraacilado (Ac₄ManNAz) se utilizó para secuestrar la vía metabólica intrínseca de modo que endógena, recientemente los sialoglycans sintetizados están etiquetados con grupos de azido, generando un mango químico^14. A través de reacciones bioortogonales mediadas por azido-alquino, que conjugan biotina a sialoginas, las proteínas de la superficie celular se pueden visualizar y enriquecer para la identificación proteómica a través de un fluoróforo acoplado a la estreptavidina o matriz^14.

Aquí, realizamos la tinción del análisis de gel SDS-PAGE del sialoglycoproteome superficial de los SSPCCP expandidos en un cocultivo endotelial y diferenciando células en un sistema no co-cultivo. También purificamos selectivamente el sialoglycoproteome superficial en los dos sistemas de cultivo para la comparación proteómica. Nuestro protocolo, en comparación con los protocolos tradicionales de purificación de superficies celulares basados en centrifugación¹⁵, aumenta la eficacia de la extracción al reducir los procedimientos de extracción de proteínas superficiales a través de la conjugación y la afinidad de etiquetas específicas Purificación. Mientras tanto, aumenta la pureza de extracción de las proteínas de la superficie celular basándose en la premisa de que la sialilación ocurre principalmente en las proteínas de la superficie celular. Aunque los factores endoteliales no pueden bloquear completamente la diferenciación de los SSPLIC expandidos, el estudio comparativo entre un cocultivo y un cultivo diferenciado proporciona un método conveniente para identificar las proteínas superficiales enriquecidas con células madre sin necesidad de analizar proteínas de PNJ purificadas por FACS¹⁶. Creemos que este enfoque se puede aplicar a estudios de proteínas superficiales en otros sistemas con las modificaciones adecuadas.

Protocol

Todos los protocolos animales utilizados en este estudio fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso Animal (IACUC) de la Universidad de Tsinghua y realizados de acuerdo con las directrices de la IACUC. La instalación de animales de laboratorio en la Universidad de Tsinghua ha sido acreditada por la AAALAC (Asociación para la Evaluación y Acreditación de Laboratorio Animal Care International). Para la puesta en escena de embriones, a mediados del día del tapón vaginal identificado se calculó com…

Representative Results

Todo el procedimiento para la expansión in vitro y el etiquetado metabólico de los SSPCC embrionarios primarios toma 6 días(Figura 1A). La calidad de la línea celular BEND3 y los SSCCP primarios recién aislados son clave para un experimento exitoso. Las células BEND3 son la fuente de factores solubles que estimulan la autorenovación y proliferación de los SSP. Debe asegurarse de que las células BEND3 estén libres de contaminación y se dividan activ…

Discussion

Los marcadores de superficie se utilizan comúnmente para etiquetar y purificar tipos de células específicas in vitro e in vivo^17,18. El descubrimiento de marcadores superficiales contribuye en gran medida a la medicina regenerativa y las investigaciones de células madre proporcionando herramientas moleculares para enriquecer selectivamente una población de células madre a partir de tejidos normales o patológicos y platos de cultivo, ofreciendo una célula …

Materials

BEND3	ATCC	CRL-229
DMEM	Gibco	11960044
L-glutamine	Gibco	25030081	1%
Sodium pyruvate	Sigma	P5280	1%
N2 supplement	Gibco	17502048	1 to 100
N-acetyl-L-cysteine	Sigma	A7250	1 mM
Papain	Worthington	LS003726	10 U/mL
B27 supplement	Gibco	17504044	1 to 50
Poly-L-lysine	Sigma	P4707
basic Fibroblast growth factor	Gibco	PHG0261	10 ng/mL
Penicillin-Streptomycin	Gibco	15140122	1%
Fetal bovine serum	Gibco	10099141	10%
HBSS	Gibco	14175095
Tripsin-EDTA, 0.25%	Gibco	25200056
DPBS	Gibco	14190094
Transwell	Corning	3450
Paraformaldehyde	Sigma	158127	4%
Sucrose	Sangon	A100335
DAPI	Gibco	62248
RIPA buffer	Thermo Scientific	89900
SDS-PAGE loading buffer 2X	Solarbio	P1018
6-well plate	Corning	3335
Tris-Glycine protein gel	invitrogen	xp00100box
mouse monoclonal anti-Nestin	Developmental Study Hybridoma Bank	Rat-401	1 to 20
mouse monoclonal anti-beta-tubulin III	Sigma	T8860	1 to 1000
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG1	invitrogen	A-21121	1 to 1000
Alexa Fluor 546 goat anti-mouse IgG2b	invitrogen	A-21143	1 to 1000
Albumin Bovine V	Amresco	0332
Triton X-100	Amresco	0694
BCA assay kit	Thermo Scientific	23225
dimethyl sulfoxide	Sigma	D2650
Brij97	Aladdin	B129088
CuSO4	Sigma	209198
alkyne-biotin	Click Chemistry Tools	TA105
BTTAA	Click Chemistry Tools	1236
Ac4ManNAz	Click Chemistry Tools	1084	100 µM
9AzSia	synthesized in lab
sodium ascorbate	Sigma	A4034
Methanol	Sigma	34860
EDTA	Sangon	A100322
NaCl	Sangon	A100241
SDS	Sangon	A100227
Alexa Flour 647-conjugated streptavidin	invitrogen	S21374	1 to 1000
Triethanolamine	Sigma	V900257
Dynabeads M-280 Streptavidin	invitrogen	60210
ammonium bicarbonate	Sigma	9830
Coomassie Brilliant Blue R-250	Thermo Scientific	20278
Isoflurane	RWD Life Science Co.	970-00026-00
DNase I	Sigma	DN25	12 µg/mL
urea	Sigma	U5378