Summary

Vurdere kardiomyocytt Subtyper Etter transkripsjonsfaktor-mediert omprogrammering av mus embryonale Fibroblaster

Published: March 22, 2017
doi:

Summary

This manuscript describes a step-by-step protocol for the generation and quantification of diverse reprogrammed cardiac subtypes using a retrovirus-mediated delivery of Gata4, Hand2, Mef2c, and Tbx5.

Abstract

Direct reprogramming of one cell type into another has recently emerged as a powerful paradigm for regenerative medicine, disease modeling, and lineage specification. In particular, the conversion of fibroblasts into induced cardiomyocyte-like myocytes (iCLMs) by Gata4, Hand2, Mef2c, and Tbx5 (GHMT) represents an important avenue for generating de novo cardiac myocytes in vitro and in vivo. Recent evidence suggests that GHMT generates a greater diversity of cardiac subtypes than previously appreciated, thus underscoring the need for a systematic approach to conducting additional studies. Before direct reprogramming can be used as a therapeutic strategy, however, the mechanistic underpinnings of lineage conversion must be understood in detail to generate specific cardiac subtypes. Here we present a detailed protocol for generating iCLMs by GHMT-mediated reprogramming of mouse embryonic fibroblasts (MEFs).

We outline methods for MEF isolation, retroviral production, and MEF infection to accomplish efficient reprogramming. To determine the subtype identity of reprogrammed cells, we detail a step-by-step approach for performing immunocytochemistry on iCLMs using a defined set of compatible antibodies. Methods for confocal microscopy, identification, and quantification of iCLMs and individual atrial (iAM), ventricular (iVM), and pacemaker (iPM) subtypes are also presented. Finally, we discuss representative results of prototypical direct reprogramming experiments and highlight important technical aspects of our protocol to ensure efficient lineage conversion. Taken together, our optimized protocol should provide a stepwise approach for investigators to conduct meaningful cardiac reprogramming experiments that require identification of individual CM subtypes.

Introduction

Hjertet er den første funksjonelle organ for å utvikle seg i embryo 1, 2. I forbindelse med sirkulasjonssystemet, leverer den oksygen, næringsstoffer, og en avfalls mekanisme under utvikling. Tre uker etter befruktning, slår det menneskelige hjertet for første gang og riktig regulering opprettholdes av cardiomyocytes (CMS). Den irreversible tap av disse spesialiserte celler er derfor det grunnleggende problemet som ligger til grunn progressiv hjertesvikt. Mens noen organismer som sebrafisk og Xenopus har potensial for hjerte-regenerering, er den voksne pattedyr-hjerte mer begrensede 3, 5, 6. Således, gitt den kritiske funksjon av hjertet, er det forbausende at hjertesykdom er den ledende årsak til død i verden, og utgjør 600.000 dødsfall i USA alene 7. Derefore, cellebasert terapi for å effektivt reparere eller erstatte den skadde hjertemuskelen er av stor klinisk interesse.

Den banebrytende studie av Yamanaka og kolleger 8 viste at tvangs uttrykk av fire transkripsjonsfaktorer er tilstrekkelig til å konvertere fullt differensierte fibroblast celler til pluripotente stamceller. Imidlertid har den tumorgene kapasiteten til alle pluripotent stamcelle strategier har vært et kritisk problem i deres bruk for terapeutiske formål. Dette motiverte fagfeltet for å søke etter alternative metoder for å transdifferentiate celler samtidig unngå en pluripotent scenen. Nylig har flere grupper vist gjennomførbarheten av denne strategien ved å vise direkte konvertering av musefibroblastere til indusert cardiomyocyte lignende celler (iCLMs) med ektopisk uttrykk av transkripsjonsfaktorene Gata4, Mef2c, Tbx5, og senere, Hand2 (GMT og GHMT , henholdsvis) 9, 10. furthermore, kan den samme strategi bli utført in vivo og in human-deriverte vev 9, 11, 12. Nyere studier har markert tilleggsfaktorer eller signalveier som kan være modulert for å ytterligere forbedre hjerte omprogrammering effektivitet 13, 14, 15. Samlet utgjør disse studiene viser potensialet rettet transdifferensiering for regenerativ behandling. Men den lave effektiviteten i CM omprogrammering, de ukjente molekylære mekanismer, inkonsekvent reproduserbarhet på grunn av metodiske forskjeller 16, og den heterogene natur av iCLMs forbli uadressert.

For å evaluere direkte iCLM heterogeniteten, har vi utviklet en diskret og robust enkeltcelleanalyse for identifisering av sarcomere utvikling og kardial avstamning spesifikasjonern-to nødvendige egenskapene til funksjonelle cardiomyocytes. Det er minst tre hovedtyper av CM i hjertet som definert av deres plassering og unike elektriske egenskaper: atrial (AM), ventrikkel (VM) og pacemaker (PM) 17, 18, 19, 20. I en orkestrert kombinasjon, de tillater riktig pumping av blod. Under hjerte skade, kan en eller alle undergrupper bli berørt, og den type celleterapi må tas opp fra sak til sak. Foreløpig fleste strategier fokusere på den totale generasjonen av cardiomyocytes, mens lite arbeid som gjøres for å studere molekylære mekanismer som regulerer subtype spesifikasjonen.

Følgende studie viser hvordan du skal kvantifisere velorganiserte sarcomeres og identifisere et mangfoldig sett av cardiomyocyte subtyper. Ved hjelp av en pacemaker (PM) -spesifikk reporter mus, er vi i stand til å anvende en jegmmunocytochemical tilnærming for å skille indusert atrial lignende muskelceller (IAM), induserte ventrikulære lignende muskelceller (IVM), og indusert PM-lignende muskelceller (IPMS) 21. Basert på våre observasjoner, bare celler som viser sarcomere organisasjonen er i stand til spontan juling. Denne unike omprogrammering plattform åpner for å vurdere rollen av visse parametre i sarcomere organisasjon, subtype spesifikasjon, og effektiviteten av CM omprogrammering på enkeltcelle oppløsning.

Protocol

Alle eksperimentelle prosedyrer som involverer dyr praksis ble godkjent av Institutional Animal Care og bruk komité ved UT Southwestern Medical Center. 1. Isolering av Hcn4-GFP E12.5 Mouse Embryonic fibroblast (MEFs) Sett opp tidsbestemte parringer mellom homozygote Hcn4-GFP hanner og CD-1 hunner. Sacrifice gravid kvinne på E12.5 av karbondioksid eutanasi og påfølgende halshugging. Fjern uterine horn med dissekere tang som beskrevet tidligere <sup class="xre…

Representative Results

Å dra nytte av PM-spesifikke reporter mus, har vi utviklet en multiplex farging strategi for å identifisere ulike endogene muskelceller som vist i figur 1. Etter de reprogrammerings-trinnene vist i figur 2, kan induksjon av undertypespesifikke CMs oppdages så tidlig som dag 4 21, om enn ved en lav hastighet. Ved dag 14, kan forsøket stoppes og vurderes for sarcomere organisasjon (figur 3) og subtype-spesifikas…

Discussion

Denne studien gir en direkte omprogrammering strategi for konvertering av MEFs til et mangfoldig sett av hjerte subtyper via retrovirus-mediert uttrykk for hjertetranskripsjonsfaktorer Gata4, Mef2c, Tbx5, og Hand2 (GHMT). Ved hjelp av en multiplex farging tilnærming i kombinasjon med en PM-spesifikke reporter mus, er vi i stand til å identifisere IAM, iVMs, og IPMS på enkelt celle oppløsning. En slik analyse gjør det mulig for en eksperimentell in vitro-system er i stand til å isolere de individuelle bidr…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

A.F.-P. was supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No.2015165336. N.V.M was supported by grants from the NIH (HL094699), Burroughs Wellcome Fund (1009838), and the March of Dimes (#5-FY14-203). We acknowledge Young-Jae Nam, Christina Lubczyk, and Minoti Bhakta for their important contributions to protocol development and data analysis. We also thank John Shelton for valuable technical input and members of the Munshi lab for scientific discussion.

Materials

DMEM Sigma D5796 Component of iCLM media, Plat-E media, fibroblast, and Transfection media
Medium 199 Thermo Fisher Scientific 11150059 Component of iCLM media
Fetal bovine serrum (FBS) Sigma F2442 Component of iCLM media, Plat-E media, fibroblast, and Transfection media
Insulin-Transferrin-Selenium G Thermo Fisher Scientific 41400-045 Component of iCLM media
MEM vitamin solution Thermo Fisher Scientific 11120-052 Component of iCLM media
MEM amino acids Thermo Fisher Scientific 1601149 Component of iCLM media
Non-Essential amino acids Thermo Fisher Scientific 11140-050 Component of iCLM media
Antibiotic-Antimycotics Thermo Fisher Scientific 15240062 Component of iCLM media
B-27 supplement Thermo Fisher Scientific 17504044 Component of iCLM media
Heat-Inactivated Horse Serum Thermo Fisher Scientific 26050-088 Component of iCLM media
NaPyruvate Thermo Fisher Scientific 11360-70 Component of iCLM media
Penicillin/Streptomycin Thermo Fisher Scientific 1514022 Component of Plat-E media and fibroblast media
Puromycin  Thermo Fisher Scientific A11139-03 Component of Plat-E media
Blasticidin   Gemini Bio-Products 400-128P Component of Plat-E media
Glutamax Thermo Fisher Scientific 35050-061 Component of Fibroblast media
Confocal laser scanning LSM700 Zeiss For confocal analysis
FuGENE 6 transfection Reagent Promega E2692 Transfection reagent 
Opti-MEM Reduced Serum Medium Thermo Fisher Scientific 31985-070 Transfection reagent 
Polybrene Millipore TR-1003-G Induction reagent. Use at a final concentration of 8um/mL
Platinium-E (PE) Retroviral Packagin Cell Line, Ecotropic CellBiolabs RV-101 Retroviral pacaking cell line
Trypsin 0.25% EDTA Thermo Fisher Scientific For MEFs and Plat-E dissociation
Mouse anti α-Actinin (Clone EA-53) Sigma A7811 Antibody for confocal analysis. Use at 1:200
Chicken anti-GFP IgY Thermo Fisher Scientific A10262 Antibody for confocal analysis. Use at 1:200
Rabbit Pab anti-NPPA  Abgent AP8534A Antibody for confocal analysis. Use at 1:400
Rabbit Pab anti Myl2 IgG  ProteinTech 10906-1-AP Antibody for confocal analysis. Use at 1:200
Vectashield solution with DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride) Vector Labs H-1500 Dye for confocal analysis
Superfrost Plus Microscope slides Thermo Fisher Scientific 12-550-15 25 x 75 x 1.0 mm
BioCoat Fibronectin 12mm coverslips NeuVitro Corp GG-12-1.5 Coverslips for confocal analysis
100um cell strainer Thermo Fisher Scientific 08-771-19
0.45um Syringes filters SFCA 25MM Thermo Fisher Scientific 09-740-106 For virus filtration
6ml Syringes Covidien 8881516937 For virus filtration
Goat anti-Chicken IgY (H&L) A488 Abcam AB150169 Secondary antibody for confocal analysis. Use at 1:400
Donkey anti-rabbit A647 IgG(H+L)  Thermo Fisher Scientific A31573 Secondary antibody for confocal analysis. Use at 1:400
Goat anti-mouse IgG(H+L) A555 Thermo Fisher Scientific A21422 Secondary antibody for confocal analysis. Use at 1:400
Triton X-100 Sigma 93443-100ml For cell permeabilization 
Dulbecco's PBS without CaCl2 and MgCl2 (D-PBS) Sigma D8537
Power Block 10X Universal Blocking reagent Thermo Fisher Scientific NC9495720 Dilute to 1X in H20
16% Paraformaldehyde aqueous solution (PFA) Electro Microscopy Sciences  15710 Use at 4% diluted in dH20
6 cm  plates Olympus 25-260
6-well plates Genesee Scientific 25-105
24-well plates Genesee Scientific 25-107
10 cm Tissue culture dishes Corning 4239
15 cm  Tissue culture dishes Thermo Fisher Scientific 5442
15 ml Conical tubes Corning 4308
50 ml Conical tubes Corning 4249
0.4% Trypan blue solution Sigma T8154 For viability
Ethyl Alcohol 200 proof Thermo Fisher Scientific 7005
Bleach Thermo Fisher Scientific 6009

References

  1. Sissman, N. J. Developmental landmarks in cardiac morphogenesis: comparative chronology. Am J Cardiol. 25 (2), 141-148 (1970).
  2. Buckingham, M., Meilhac, S., Zaffran, S. Building the mammalian heart from two sources of myocardial cells. Nat Rev Genet. 6 (11), 826-835 (2005).
  3. Ali, S. R., et al. Existing cardiomyocytes generate cardiomyocytes at a low rate after birth in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (24), 8850-8855 (2014).
  4. Bergmann, O., et al. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science. 324 (5923), 98-102 (2009).
  5. Senyo, S. E., et al. Mammalian heart renewal by pre-existing cardiomyocytes. Nature. 493 (7432), 433-436 (2013).
  6. Lin, Z., Pu, W. T. Strategies for cardiac regeneration and repair. Sci Transl Med. 6 (239), 239rv231 (2014).
  7. Writing Group, M., et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2016 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 133 (4), e38-e360 (2016).
  8. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4), 663-676 (2006).
  9. Song, K., et al. Heart repair by reprogramming non-myocytes with cardiac transcription factors. Nature. 485 (7400), 599-604 (2012).
  10. Ieda, M., et al. Direct reprogramming of fibroblasts into functional cardiomyocytes by defined factors. Cell. 142 (3), 375-386 (2010).
  11. Qian, L., et al. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature. 485 (7400), 593-598 (2012).
  12. Fu, J. D., et al. Direct reprogramming of human fibroblasts toward a cardiomyocyte-like state. Stem Cell Reports. 1 (3), 235-247 (2013).
  13. Zhou, H., Dickson, M. E., Kim, M. S., Bassel-Duby, R., Olson, E. N. Akt1/protein kinase B enhances transcriptional reprogramming of fibroblasts to functional cardiomyocytes. Proc Natl Acad Sci U S A. 112 (38), 11864-11869 (2015).
  14. Zhou, Y., et al. Bmi1 Is a Key Epigenetic Barrier to Direct Cardiac Reprogramming. Cell Stem Cell. 18 (3), 382-395 (2016).
  15. Zhao, Y., et al. High-efficiency reprogramming of fibroblasts into cardiomyocytes requires suppression of pro-fibrotic signalling. Nat Commun. 6, 8243 (2015).
  16. Miki, K., Yoshida, Y., Yamanaka, S. Making steady progress on direct cardiac reprogramming toward clinical application. Circ Res. 113 (1), 13-15 (2013).
  17. Atkinson, A., et al. Anatomical and molecular mapping of the left and right ventricular His-Purkinje conduction networks. J Mol Cell Cardiol. 51 (5), 689-701 (2011).
  18. Bootman, M. D., Smyrnias, I., Thul, R., Coombes, S., Roderick, H. L. Atrial cardiomyocyte calcium signalling. Biochim Biophys Acta. 1813 (5), 922-934 (2011).
  19. Miquerol, L., Beyer, S., Kelly, R. G. Establishment of the mouse ventricular conduction system. Cardiovasc Res. 91 (2), 232-242 (2011).
  20. Später, D., Hansson, E. M., Zangi, L., Chien, K. R. How to make a cardiomyocyte. Development. 141 (23), 4418-4431 (2014).
  21. Nam, Y. J., et al. Induction of diverse cardiac cell types by reprogramming fibroblasts with cardiac transcription factors. Development. 141 (22), 4267-4278 (2014).
  22. Conner, D. A. . Current Protocols in Molecular Biology. , (2001).
  23. Jozefczuk, J., Drews, K., Adjaye, J. Preparation of mouse embryonic fibroblast cells suitable for culturing human embryonic and induced pluripotent stem cells. J Vis Exp. (64), (2012).
  24. Burns, J. C., Friedmann, T., Driever, W., Burrascano, M., Yee, J. K. Vesicular stomatitis virus G glycoprotein pseudotyped retroviral vectors: concentration to very high titer and efficient gene transfer into mammalian and nonmammalian cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 90 (17), 8033-8037 (1993).
  25. Ichim, C. V., Wells, R. A. Generation of high-titer viral preparations by concentration using successive rounds of ultracentrifugation. J Transl Med. 9, 137 (2011).
  26. Qian, L., Berry, E. C., Fu, J. D., Ieda, M., Srivastava, D. Reprogramming of mouse fibroblasts into cardiomyocyte-like cells in vitro. Nat Protoc. 8 (6), 1204-1215 (2013).
  27. Yang, R., et al. Direct conversion of mouse and human fibroblasts to functional melanocytes by defined factors. Nat Commun. 5, 5807 (2014).
  28. Muraoka, N., Ieda, M. Direct reprogramming of fibroblasts into myocytes to reverse fibrosis. Annu Rev Physiol. 76, 21-37 (2014).
  29. Coffin, J. M., Hughes, S. H., Varmus, H. E., Coffin, J. M., Hughes, S. H., Varmus, H. E. . Retroviruses. , (1997).
  30. Bass, G. T., et al. Automated image analysis identifies signaling pathways regulating distinct signatures of cardiac myocyte hypertrophy. J Mol Cell Cardiol. 52 (5), 923-930 (2012).
check_url/fr/55456?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Fernandez-Perez, A., Munshi, N. V. Assessing Cardiomyocyte Subtypes Following Transcription Factor-mediated Reprogramming of Mouse Embryonic Fibroblasts. J. Vis. Exp. (121), e55456, doi:10.3791/55456 (2017).

View Video