ヒト人工多能性幹細胞における複数のミトコンドリアパラメータとその神経およびグリア誘導体のフローサイトメトリー解析
1Department of Clinical Medicine (K1),University of Bergen, 2Neuro-SysMed, Center of Excellence for Clinical Research in Neurological Diseases,Haukeland University Hospital, 3Department of Neurosurgery, Qilu Hospital and Institute of Brain and Brain-Inspired Science, Cheeloo College of Medicine,Shandong University, 4Shandong Key Laboratory of Brain Function Remodeling
Summary
この研究では、フローサイトメトリーと2つの蛍光レポーターまたは抗体による二重染色に基づいて複数のミトコンドリア機能パラメーターを測定し、ミトコンドリア体積、ミトコンドリア膜電位、活性酸素種レベル、ミトコンドリア呼吸鎖組成、およびミトコンドリアDNAの変化を検出する新しいアプローチを報告しています。
Abstract
ミトコンドリアは、多くの神経変性疾患の病態生理学において重要である。ミトコンドリア体積、ミトコンドリア膜電位(MMP)、活性酸素種のミトコンドリア産生(ROS)、およびミトコンドリアDNA(mtDNA)コピー数の変化は、多くの場合、これらのプロセスの特徴です。このレポートでは、ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)やiPS細胞由来の神経細胞やグリア細胞など、さまざまな細胞タイプで複数のミトコンドリアパラメータを測定するための新しいフローサイトメトリーベースのアプローチについて詳しく説明します。このフローベースの戦略では、生細胞を使用してミトコンドリア体積、MMP、およびROSレベルを測定し、固定細胞を使用してミトコンドリア呼吸鎖(MRC)の成分とミトコンドリア転写因子A(TFAM)などのmtDNA関連タンパク質を推定します。
MitoTracker Green(MTG)、テトラメチルローダミンエチルエステル(TMRE)、MitoSox Redなどの蛍光レポーターと共染色することにより、ミトコンドリア体積、MMP、およびミトコンドリアROSの変化を定量化し、ミトコンドリア含有量に関連付けることができます。MRC複合体サブユニットおよび外ミトコンドリア膜20のトランスロカーゼ(TOMM20)に対する抗体による二重染色は、MRCサブユニット発現の評価を可能にする。TFAMの量はmtDNAコピー数に比例するため、TOMM20あたりのTFAMの測定は、ミトコンドリア体積あたりのmtDNAの間接的な測定値を提供します。プロトコル全体は2〜3時間以内に実行できます。重要なことに、これらのプロトコルは、フローサイトメトリーを使用して、ミトコンドリア体積あたりの総レベルと特定のレベルの両方でミトコンドリアパラメータの測定を可能にします。
Introduction
ミトコンドリアは、ほとんどすべての真核細胞に存在する必須の細胞小器官です。ミトコンドリアは、酸化的リン酸化を介してアデノシン三リン酸(ATP)を生成することによってエネルギー供給に関与し、生合成と代謝の代謝仲介者として機能します。ミトコンドリアは、ROSの生成、細胞死、細胞内Ca2+調節など、他の多くの重要な細胞プロセスに深く関与しています。ミトコンドリア機能障害は、パーキンソン病(PD)、アルツハイマー病(AD)、ハンチントン病(HD)、フリードライヒ運動失調症(FRDA)、筋萎縮性側索硬化症(ALS)など、さまざまな神経変性疾患と関連しています1。ミトコンドリア機能障害の増加とmtDNA異常も、人間の老化に寄与すると考えられています2,3。
神経変性疾患では様々なタイプのミトコンドリア機能障害が起こり、ミトコンドリア容積の変化、MMP脱分極、ROSの産生、mtDNAコピー数の変化が一般的です4,5,6,7。したがって、これらおよび他のミトコンドリア機能を測定する能力は、疾患メカニズムを研究し、潜在的な治療薬をテストするときに非常に重要です。さらに、ヒトの神経変性疾患を忠実に再現する動物モデルがないことを考慮すると、脳細胞でヒトの疾患を再現する適切なin vitroモデルシステムを確立することは、これらの疾患のより深い理解と新しい治療法の開発に向けた重要なステップです2,3,8,9。
ヒトiPS細胞は、神経細胞および非神経細胞(すなわちグリア細胞)を含む様々な脳細胞を生成するために使用でき、神経変性疾患に関連するミトコンドリア損傷は両方の細胞型で見出されている3、10、11、12、13。iPS細胞を神経系統およびグリア系譜に分化させるための適切な方法が利用可能です14,15,16。これらの細胞は、in vitro疾患モデリングと薬物スクリーニングのための独自のヒト/患者プラットフォームを提供します。さらに、これらは患者に由来するため、iPS細胞由来の神経細胞とグリア細胞は、ヒトで起こっていることをより正確に反映する疾患モデルを提供します。
現在まで、iPS細胞、特に生きたニューロンやグリア細胞における複数のミトコンドリア機能パラメータを測定するための便利で信頼性の高い方法はほとんどありません。フローサイトメトリーの使用は、単一細胞におけるミトコンドリア機能を含む生物学的パラメータを測定するための強力なツールを科学者に提供します。このプロトコルは、iPS細胞からの神経幹細胞(NSC)、ニューロン、グリア星状細胞など、さまざまな種類の脳細胞の生成の詳細と、iPS細胞やiPS細胞由来の神経細胞やグリア細胞など、さまざまな種類のミトコンドリアパラメータを測定するための新しいフローサイトメトリーベースのアプローチを提供します。このプロトコルは、フローサイトメトリーを使用してミトコンドリア容積、MMP、ミトコンドリアROSレベル、MRC複合体、およびTFAMを測定するための共染色戦略も提供します。ミトコンドリアの体積または質量の測定を組み込むことにより、これらのプロトコルはまた、ミトコンドリア単位当たりの総レベルおよび特定のレベルの両方の測定を可能にする。
Protocol
注意: このプロトコルで使用されるすべての培地と溶液のレシピについては、 材料の 表と 補足表S1 を参照してください。 1. ヒトiPS細胞のNCS、ドーパミン作動性(DA)ニューロン、アストロサイトへの分化 マトリックスコーティングされたプレートを準備します。5 mLのマトリックスのバイアルを氷上で一晩解凍します。1 m…
Representative Results
分化法およびフローサイトメトリー戦略の概略説明を 図3に示す。ヒトiPS細胞は神経ロゼットに分化した後、浮遊培養に持ち上げて神経球に分化させます。神経球はさらに分化し、DAニューロンに成熟する。神経球は単一細胞に解離してグリア星状細胞を生成し、NSCとして単層に再播種した後、星状細胞に分化します。このプロトコルは、MMP、ミトコンドリア容積、ミト…
Discussion
ここでは、iPS細胞由来のニューロンおよびアストロサイトを生成し、フローサイトメトリーを使用してミトコンドリア機能の複数の側面を評価するためのプロトコルを示します。これらのプロトコルにより、ヒトiPS細胞をニューロンとグリア星状細胞の両方に効率的に変換し、主に生細胞におけるミトコンドリア機能の詳細な特性評価が可能になります。また、このプロトコルは、生細胞に?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ノルウェーのベルゲン大学の分子イメージングセンターとフローサイトメトリーコア施設に感謝します。この研究は、ノルウェー研究評議会(助成金番号:229652)、Rakel og Otto Kr.Bruuns legat、および中国奨学金評議会(プロジェクト番号:201906220275)からの資金提供によって支援されました。
Materials
| anti-Oct4 | Abcam | ab19857, RRID:AB_445175 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-SSEA4 | Abcam | ab16287, RRID:AB_778073 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-Sox2 | Abcam | ab97959, RRID:AB_2341193 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Pax6 | Abcam | ab5790, RRID:AB_305110 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Nestin | Santa Cruz Biotechnology | sc-23927, RRID:AB_627994 | Primary Antibody; use as 1:50, 20 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-GFAP | Abcam | ab4674, RRID:AB_304558 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-chicken IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11042) as secondary antibody. |
| anti-S100β conjugated with Alexa Fluor 488 | Abcam | ab196442, RRID:AB_2722596 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; |
| anti-TH | Abcam | ab75875, RRID:AB_1310786 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Tuj 1 | Abcam | ab78078, RRID:AB_2256751 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-Synaptophysin | Abcam | ab32127, RRID:AB_2286949 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-PSD-95 | Abcam | ab2723, RRID:AB_303248 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-chicken IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11042) as secondary antibody. |
| anti-TFAM conjugated with Alexa Fluor 488 | Abcam | ab198308 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; use mouse monoclonal IgG2b Alexa Fluor® 488 as an isotype control. |
| anti-TOMM20 conjugated with Alexa Fluor 488 | Santa Cruz Biotechnology | Cat# sc-17764 RRID:AB_628381 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; use mouse monoclonal IgG2a Alexa Fluor® 488 as an isotype control. |
| anti-NDUFB10 | Abcam | ab196019 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody; use rabbit monoclonal IgG as an isotype control. |
| anti-SDHA | Abcam | ab137040 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody; use rabbit monoclonal IgG as an isotype control. |
| anti-COX IV | Abcam | ab14744, RRID:AB_301443 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-mouse IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11001) as secondary antibody; use mouse monoclonal IgG as an isotype control. |
| Activin A | PeproTech | 120-14E | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| ABM Basal Medium | Lonza | CC-3187 | Basal medium for astrocyte culture |
| AGM SingleQuots Supplement Pack | Lonza | CC-4123 | Supplement for astrocyte culture |
| Antibiotic-Antimycotic | Thermo Fisher Scientific | 15240062 | CDM ingredient |
| Advanced DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12634010 | Basal medium for dilute Geltrex |
| Bovine Serum Albumin | Europa Bioproducts | EQBAH62-1000 | Blocking agent to prevent non-specific binding of antibodies in immunostaining assays and CDM ingredient |
| BDNF | PeproTech | 450-02 | DA neurons medium ingredient |
| B-27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| BD Accuri C6 Plus Flow Cytometer | BD Biosciences, USA | ||
| Chemically Defined Lipid Concentrate | Thermo Fisher Scientific | 11905031 | CDM ingredient |
| Collagenase IV | Thermo Fisher Scientific | 17104019 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
| CCD Microscope Camera Leica DFC3000 G | Leica Microsystems, Germany | ||
| Corning non-treated culture dishes | Sigma-Aldrich | CLS430589 | Suspension culture |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190250 | Used for a variety of cell culture wash |
| DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific | 10565018 | Astrocyte differentiation basal Medium |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | 15575020 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
| Essential 8 Basal Medium | Thermo Fisher Scientific | A1516901 | Basal medium for iPSC culture |
| Essential 8 Supplement (50X) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | Supplement for iPSC culture |
| EGF Recombinant Human Protein | Thermo Fisher Scientific | PHG0314 | Supplement for NSC culture |
| FGF-basic (AA 10–155) Recombinant Human Protein | Thermo Fisher Scientific | PHG0024 | Supplement for NSC culture |
| Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | 12103C | Medium ingredient |
| FGF-basic | PeproTech | 100-18B | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| FCCP | Abcam | ab120081 | Eliminates mitochondrial membrane potential and TMRE staining |
| Fluid aspiration system BVC control | Vacuubrand, Germany | ||
| Formaldehyde (PFA) 16% | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Cell fixation |
| Geltrex | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | Used for attachment and maintenance of human iPSCs |
| GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | Supplement for NSC culture |
| GDNF | Peprotech | 450-10 | DA neurons medium ingredient |
| Glycine | Sigma-Aldrich | G8898 | Used for blocking buffer |
| Ham's F-12 Nutrient Mix | Thermo Fisher Scientific | 31765027 | Basal medium for CDM |
| Heregulin beta-1 human | Sigma-Aldrich | SRP3055 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | H1399 | Stain the nuclei for confocal image |
| Heracell 150i CO2 Incubators | Fisher Scientific, USA | ||
| IMDM | Thermo Fisher Scientific | 21980032 | Basal medium for CDM |
| Insulin | Roche | 1376497 | CDM ingredient |
| InSolution AMPK Inhibitor | Sigma-Aldrich | 171261 | Neural induction medium ingredient |
| Insulin-like Growth Factor-I human | Sigma-Aldrich | I3769 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| KnockOut DMEM/F-12 medium | Thermo Fisher Scientific | 12660012 | Basal medium for NSC culture |
| Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Leica TCS SP8 STED confocal microscope | Leica Microsystems, Germany | ||
| Monothioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | CDM ingredient |
| MitoTracker Green FM | Thermo Fisher Scientific | M7514 | Used for mitochondrial volume indicator |
| MitoSox Red | Thermo Fisher Scientific | M36008 | Used for mitochondrial ROS indicator |
| N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A7250 | Neural induction medium ingredient |
| N-2 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17502048 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| Normal goat serum | Thermo Fisher Scientific | PCN5000 | Used for blocking buffer |
| Orbital shakers – SSM1 | Stuart Equipment, UK | ||
| Poly-L-ornithine solution | Sigma-Aldrich | P4957 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Poly-D-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P7405 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Purmorphamine | STEMCELL Technologies | 72204 | Promotes DA neuron differentiation |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36930 | Mounting the coverslip for confocal image |
| PBS 1x | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | Used for a variety of wash |
| Recombinant Human/Mouse FGF-8b Protein | R&D Systems | 423-F8-025/CF | Promotes DA neuron differentiation |
| SB 431542 | Tocris Bioscience | TB1614-GMP | Neural Induction Medium ingredient |
| StemPro Neural Supplement | Thermo Fisher Scientific | A10508-01 | Supplement for NSCs culture |
| TrypLE Express Enzyme | Thermo Fisher Scientific | 12604013 | Cell dissociation reagent |
| Transferrin | Roche | 652202 | CDM ingredient |
| TRITON X-100 | VWR International | 9002-93-1 | Used for cells permeabilization in immunostaining assays |
| TMRE | Abcam | ab113852 | Used for mitochondrial membrane potential staining |
| Water Bath Jb Academy Basic Jba5 JBA5 Grant Instruments | Grant Instruments, USA |
Riferimenti
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Citazione di questo articolo
Liang, K. X., Chen, A., Kristiansen, C. K., Bindoff, L. A. Flow Cytometric Analysis of Multiple Mitochondrial Parameters in Human Induced Pluripotent Stem Cells and Their Neural and Glial Derivatives. J. Vis. Exp. (177), e63116, doi:10.3791/63116 (2021).