Differenzierung und Charakterisierung neuronaler Vorläufer und Neuronen aus embryonalen Stammzellen der Maus

Summary

Wir beschreiben das Verfahren zur In-vitro-Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus in neuronale Zellen mit der Hanging-Drop-Methode. Darüber hinaus führen wir eine umfassende phänotypische Analyse durch RT-qPCR, Immunfluoreszenz, RNA-seq und Durchflusszytometrie durch.

Abstract

Wir beschreiben das schrittweise Verfahren zur Kultivierung und Differenzierung embryonaler Stammzellen von Mäusen in neuronale Linien, gefolgt von einer Reihe von Assays zur Charakterisierung der differenzierten Zellen. Die embryonalen Stammzellen der E14-Maus wurden verwendet, um embryoide Körper durch die Hängende-Drop-Methode zu bilden, und dann induziert, sich durch Retinsäure in neuronale Vorläuferzellen zu differenzieren und schließlich in Neuronen zu differenzieren. Quantitative Reverse-Transkription-Polymerase-Kettenreaktion (RT-qPCR) und Immunfluoreszenzexperimente zeigten, dass die neuronalen Vorläufer und Neuronen am Tag 8 bzw. 12 nach der Differenzierung entsprechende Marker (Nestin für neuronale Vorläufer und Neurofilament für Neuronen) aufweisen. Durchflusszytometrie-Experimente an einer E14-Linie, die einen Sox1-Promotor-gesteuerten GFP-Reporter exprimierte, zeigten, dass etwa 60% der Zellen an Tag 8 GFP-positiv sind, was auf die erfolgreiche Differenzierung neuronaler Vorläuferzellen in diesem Stadium hinweist. Schließlich wurde die RNA-seq-Analyse verwendet, um die globalen transkriptomischen Veränderungen zu profilieren. Diese Methoden sind nützlich, um die Beteiligung bestimmter Gene und Signalwege an der Regulierung des Zellidentitätsübergangs während der neuronalen Differenzierung zu analysieren.

Introduction

Seit ihrer ersten Ableitung aus der inneren Zellmasse der sich entwickelnden Mausblastozysten^1,2, wurden embryonale Mausstammzellen (mESC) als leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung der Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzellen verwendet³. Darüber hinaus führt die Untersuchung der mESC-Differenzierung zu einem enormen Verständnis molekularer Mechanismen, die die Effizienz und Sicherheit in der stammzellbasierten Therapie bei der Behandlung von Krankheiten wie neurodegenerativen Erkrankungen verbessern können⁴. Im Vergleich zu Tiermodellen bietet dieses In-vitro-System viele Vorteile, darunter Einfachheit in der Praxis und Bewertung, geringe Kosten bei der Pflege von Zelllinien im Gegensatz zu Tieren und relative Leichtigkeit bei genetischen Manipulationen. Die Effizienz und Qualität differenzierter Zelltypen wird jedoch häufig durch unterschiedliche Linien von mES-Zellen sowie die Differenzierungsmethoden^5,6beeinflusst. Auch die traditionellen Assays zur Bewertung der Differenzierungseffizienz beruhen auf der qualitativen Untersuchung ausgewählter Markergene, denen es an Robustheit mangelt und die daher globale Veränderungen in der Genexpression nicht erfassen.

Hier wollen wir eine Batterie von Assays zur systematischen Beurteilung der neuronalen Differenzierung einsetzen. Mit traditionellen In-vitro-Analysen an ausgewählten Markern und RNA-seq etablieren wir eine Plattform zur Messung der Differenzierungseffizienz sowie der transkriptomischen Veränderungen während dieses Prozesses. Basierend auf einem zuvor etablierten Protokoll⁷erzeugten wir embryoide Körper (EBs) durch die Hanging-Drop-Technik, gefolgt von induktion unter Verwendung supraphysiologischer Mengen an Retinsäure (RA), um neuronale Vorläuferzellen (NPCs) zu erzeugen, die anschließend zu Neuronen mit neuronalem Induktionsmedium differenziert wurden. Um die Effizienz der Differenzierung zu untersuchen, haben wir zusätzlich zu den traditionellen RT-qPCR- und Immunfluoreszenz(IF)-Assays RNA-seq und Durchflusszytometrie durchgeführt. Diese Analysen liefern eine umfassende Messung des Verlaufs der stufenspezifischen Differenzierung.

Protocol

1. mESC-Kultur Beschichten Sie eine 10 cm gewebekulturbehandelte Platte mit 0,1% Gelatine und lassen Sie die Gelatine mindestens 15-30 min aushärten, bevor Sie sie aussaugen. Samen γ-bestrahlten embryonalen Fibroblasten (MEFs) der Maus einen Tag vor der Kultivierung der mESCs im vorgewärmten mESC-Medium (Dulbeccos modifiziertes Eagle-Medium (DMEM) mit 15% fetalem Rinderserum (FBS), nicht-essentiellen Aminosäuren, β-Mercaptoethanol, L-Glutamin, Penicillin/Streptomycin, Natriumpyruvat, LIF, PD03259…

Representative Results

Als Darstellung unserer Methode führten wir ein EB-, NPC- und Neuronendifferenzierungsexperiment an E14-Zellen durch. E14-Zellen wurden auf γ-bestrahlten MEFs kultiviert (Abbildung 1A), bis die γ-bestrahlte MEF-Population verdünnt war. Wir bestätigten die Pluripotenz der E14-Zellen durch alkalische Phosphatase (AP) Färbung (Abbildung 1B) und später RT-qPCR (siehe unten) für Nanog- und Oct4-Marker. Die γ-bestrahlten MEF-freien E14-Zelle…

Discussion

Die Methode zur neuronalen Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus ist seit Jahrzehnten etabliert, und die Forscher haben die vorherigen Protokolle weiter modifiziert oder neue für verschiedene Zwecke geschaffen^7,10,11. Wir verwendeten eine Reihe von Assays, um die Effizienz und den Fortschritt der Differenzierungsstufen von mESCs zu Neuronen umfassend zu analysieren, die bei der Analyse anderer Abstammungsdifferen…

Materials

0.05% Trypsin + 0.53mM EDTA 1X	Corning	25-052-CV
0.1% Gelatin	Sigma	G1890-100G	Prepared in de-ionized water
16% Paraformaldehyde	Thermo Scientific	28908	Diluted in 1X PBS
40-μm cell strainer	Falcon	352340
Albumax	Thermo Fisher Scientific	11020021
AlexaFluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L)	Invitrogen	A11001	Antibody was diluted at 1:500 for IF
Alkaline Phosphatase Staining Kit II	Stemgent	00-0055
AzuraQuant Green Fast qPCR Mix LoRox	Azura Genomics	AZ-2105
B27 supplement	Thermo Fisher Scientific	17504044
BD FACSCanto	BD	657338
bFGF	Sigma	11123149001
BioAnalyzer High Sensitivity DNA Kit	Agilent	5067-4626
Chir99021	Cayman Chemicals	13122
Chloroform	C298-500	Fisher Chemical
DAPI	Invitrogen	R37606
DMEM	Corning	10-017-CM
DMEM/F12 medium	Thermo Fisher Scientific	11320033
EB buffer	Qiagen	19086
Ethanol	111000200	Pharmco	Diluted in de-ionized water
Fetal bovine serum	Atlanta Biologicals	S10250
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides	Fisher Scientific	12-550-15
HiSeq 2500 Sequencing System	Illumina	SY-401-2501
Isopropanol	BDH1133-4LG	BDH VWR Analytical	Diluted in de-ionized water
L-glutamine	Thermo Fisher Scientific	25030024
LIF	N/A	N/A	Collected from MEF supernatant
m18srRNA primers	IDTDNA	N/A	5'-GCAATTATTCCCCATGAACG-3' 5'-GGCCTCACTAAACCATCCAA-3'
MEM Non-essential amino acids	Corning	25-025-Cl
mNanog primers	IDTDNA	N/A	5'-AGGCTTTGGAGACAGTGAGGTG-3' 5'-TGGGTAAGGGTGTTCAAGCACT-3'
mNes primers	IDTDNA	N/A	5'-AGTGCCCAGTTCTAGTGGTGTCC-3' 5'-CCTCTAAAATAGAGTGGTGAGGGTTG-3'
mNeuroD1 primers	IDTDNA	N/A	5'-CGAGTCATGAGTGCCCAGCTTA-3' 5'-CCGGGAATAGTGAAACTGACGTG-3'
mOct4 primers	IDTDNA	N/A	5'-AGATCACTCACATCGCCAATCA-3' 5'-CGCCGGTTACAGAACCATACTC-3'
mPax6 primers	IDTDNA	N/A	5'-CTTGGGAAATCCGAGACAGA-3' 5'-CTAGCCAGGTTGCGAAGAAC-3'
N2 supplement	Thermo Fisher Scientific	17502048
Nestin primary antibody	Millipore	MAB5326	Antibody was diluted at 1:200 for IF
Neural basal	Thermo Fisher Scientific	21103049
Neurofilament primary antibody	DSHB	2H3
NEXTflex Illumina Rapid Directional RNA-Seq Library Prep Kit	BioO Scientific	NOVA-5138-07
PD0325901	Cayman Chemicals	13034
Penicillin/streptomycin	Corning	30-002-Cl
Phosphate-buffered saline (PBS)	N/A	N/A	Prepared in de-ionized water
– Potassium chloride	P217-500G	VWR
– Potassium phosphate monobasic anhydrous	0781-500G	VWR
– Sodium chloride	BP358-10	Fisher Bioreagents
– Sodium phosphate, dibasic, heptahydrate	SX0715-1	Milipore
Random hexamer primer	Thermo Scientific	SO142
Retinoic acid	Sigma	R2625	Prepared in DMSO
Sodium pyruvate	Corning	25-000-Cl
Sucrose	Sigma	84097	Diluted in 1X PBS
SuperScript III Reverse Transcriptase	Invitrogen	18064022
Tissue-Tek O.C.T. compound	Sakura	4583
TriPure Isolation Reagent	Sigma-Aldrich	11667165001
TruSeq Rapid	Illumina	20020616
β-mercaptoethanol	Fisher BioReagents	BP176-100