エピソームおよびHDAC阻害剤を用いて血液からの効率的なiPS細胞の生成

Summary

ここでは、再プログラミング戦略とヒス​​トンデアセチラーゼ阻害剤ベースのエピソームを用いて末梢血からのヒト人工多能性幹細胞を生成するためのプロトコルを記述している。

Abstract

この原稿を効率的にエピソームプラスミドおよびヒストンデアセチラーゼ（HDAC）阻害剤を用いて末梢血からの統合を含まないヒト誘導多能性幹細胞（iPS細胞）を作成するためのプロトコルを示す。このアプローチの利点は、（1）原料として、末梢血の最小量の使用。 （2）リプログラミングベクター非統合。 （3）ベクトルフリー性IPSCを生成するための費用効果的な方法。 （4）シングルトランスフェクション。 （5）小分子の使用は、エピジェネティックな再プログラミングを容易にする。簡単に述べると、末梢血単核細胞（PBMC）ルーチン瀉血サンプルから単離し、次いで、再プログラミングに著しく適している、高度に増殖性の赤血球前駆細胞集団を得た定義された成長因子の中で培養される。非統合、OCT4、SOX2、KLF4、MYCL、LIN28A、およびp53の短いヘアピン（SH）RNAを発現する非伝播エピソームのプラスミドはintroduですシングルクレオによって派生赤芽球へのced。強化された緑色蛍光タンパク質（EGFP）を発現するエピソームの同時トランスフェクションは、トランスフェクションされた細胞の容易な同定を可能にする。エプスタイン-バー核抗原1（EBNA1）を発現する独立した複製欠損プラスミドはまた、エピソームのタンパク質の増大した発現のための反応混合物に添加される。トランスフェクションされた細胞は、その後の継続的再プログラミングのために照射したマウス胚性線維芽細胞（iMEFs）の層上にメッキされている。否やIPSC様コロニーはヌクレオ後約12日目に現れるように、HDAC阻害剤は、エピジェネティックなリモデリングを促進するために培地に添加される。我々は、HDAC阻害剤を含めることが日常的に2倍にすることによって完全に再プログラムIPSCコロニーの生成を増加させることを見出した。 IPSCのコロニーは典型的なヒト胚性幹細胞（hESCの）形態を示したら、それらを穏やかに継続的な成長および増殖のための個々のiMEFコーティングした組織培養プレートに移す。

Introduction

iPS細胞は、多能性遺伝子の最小限のセットの異所性発現を介して細胞組織から誘導される。この技術は、最初に非常に多能性状態¹で表現されるOCT4、SOX2、KLF4、およびcMYCはヒト線維芽細胞のレトロウイルス形質導入によって実証された。これらの一時的に発現「再プログラミング因子」は、ヒト胚性幹細胞²に、標的細胞のエピジェネティックな風景や遺伝子発現プロファイルが類似して変更する。作成後は、性IPSCは、潜在的に、さらなる調査のための任意の組織型に分化させることができる。したがって、それらは、再生医療、疾患モデル、および遺伝子治療用途において使用するための有望。しかし、統合ウイルスのゲノムを破壊することは、内因性遺伝子発現、細胞の表現型の影響を変化させる可能性があり、最終的に科学的な結果にバイアスをかける。さらに、ランダムウイルス統合は有害な携帯電子につながる可能性悪性形質転換³または発癌導入遺伝子⁴の再発現の可能含めffects、。将来の臨床応用は、非組み込みIPSCの生成が必要になります。

染色体外環状DNA分子であるエピソーム、効果的なコストを発生させるための戦略を提供し、統合のないiPS細胞^5。 表1に示したエピソームベクターの組み合わせは、再プログラミングは、OCT4、SOX2、KLF4、MYCL、およびLIN28A因子発現する。 pCXLE_hOCT3 / 4-shp53-Fプラスミドは、細胞リプログラミング^6を強化するため、TP53の一時的な抑制のためのp53 shRNAを含まれています。複製欠損pCXWB-EBNA1ベクターは、EBNA1式 ⁷の一過性の増加を提供することで、初期化因子の増幅および増加初期化の効率を促進する。 pCXLE_EGFPプラスミドはDETEの目的のためにヌクレオ混合物に加えることができるトランスフェクション効率をrminingまたはセルソーティングアプリケーションに最適です。 p個のCXWB-EBNA1を除いて、このプロトコルで使用されるエピソームプラスミドは、宿主細胞の分裂⁸中エピソームの複製およびパーティションを媒介する、ウイルス複製およびEBNA1遺伝子のエプスタイン-バーウイルス起点を含む。エピソームは自然に連続したIPSC拡張⁷で失われます。サブクローニングおよびeGFP発現の損失から推測できるエピソームベクターの損失を有するiPS細胞の特徴付けは、将来の臨床応用のための完全に統合フリー性IPSCをもたらすことができる。

IPSCの生成のプロセスに固有の系統特異的遺伝子および多能性関連遺伝子の再活性化の抑制である。遺伝子発現の調節は、転写因子、調節DNAエレメント、およびRNAポリメラーゼのアクセスが対象とすることを可能にするDNAとクロマチンの修飾を含む、核内の複数のレベルで生じる遺伝子。グローバルクロマチン修飾を介したエピジェネティックな風景のリモデリングは、多能性遺伝的プログラムの再発現に重要なコンポーネントです。遺伝子発現の調節に重要である特定のクロマチン修飾は、ヒストンDNAコイルの減少緊張を通して遺伝子を標的とするためのアクセスを許可する特定のリジン残基でのヒストンのアセチル化である。 HDAC阻害剤は、アセチル化状態^11を支持する可能性が、IPSCの再プログラミングおよびhESCの自己再生^9,10を増強することが示されている小分子である。統合レンチ^12を用いて、公開前から適合以下に記載されるプロトコルは、エピソームおよびHDAC阻害剤を用いて、末梢血から最適化IPSCを生成するためのステップバイステップの方法を提供する。ここで使用されるHDAC阻害剤の濃度は、ウェアによって記載されたものの半分であるら ^9、日常標準にわたって完全に再プログラムIPSCコロニーにおける2倍の増加につながっているHDAC阻害剤なしでエピソーム再プログラミングプロトコル。再プログラミングのこのレベルは、我々は、レンチウイルスの方法で観察する効率と同等である。このプロトコルを用いて、効率的に年齢87歳と同じくらい古い個人からのIPSCを生成した。

Protocol

フレッド·ハッチンソンがん研究センターの治験審査ボードと子どもの "sフィラデルフィアの病院で承認され、インフォームドコンセントを書かれ、末梢血サンプルを採取する前に、患者から得られた。すべての施設のガイドラインが観察された。MEF生成を含む全ての動物実験と奇形腫形成は施設内動物管理使用委員会によって承認された。 PBMCおよび赤芽球の拡大1.?…

Representative Results

三日後、およびヌクレオiMEFsにヌクレオフェクト細胞を播種する前に、成功したヌクレオの効率は、eGFPのために蛍光顕微鏡によって推定されるべきである。 図1のeGFPを発現する全細胞集団の約5〜10％の典型的なヌクレオ実験を示す。 再プログラムIPSCコロニーは約2週間後にヌクレオ表示されるようになります。コロニーが明確に定義された境界線を有するほ?…

Discussion

このプロトコルを使用するときに成功したIPSCの生成のために、考慮すべきいくつかの重要な注意事項があります。偏差が目標前駆細胞集団の非効率的な刺激およびIPSCの生成の低い効率につながる可能性がある赤芽球の膨張段階で、培地交換スケジュールは厳密に従わなければならない。各培地交換新鮮デキサメタゾンで新しい増殖培地を作ることが重要である。そしてQBSF-60基本培地および?…

Materials

Name of Reagent/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Ficoll-Paque PLUS	Fisher Scientific	45-001-750	Store at 4°C. Warm to room temperature before use.
DPBS	Life Technologies	14190-250	Store at 4°C.
RPMI 1640	Life Technologies	11875-093	Store at 4°C.
fetal bovine serum (FBS)	Life Technologies	10437028	Store at -20°C until needed. Thaw, aliquot, store at 4°C.
dimethyl sulfoxide (DMSO)	Sigma-Aldrich	154938	Store at room temperature.
QBSF-60 serum-free medium	Fisher Scientific	50-983-234	Store at 4°C.
penicillin/streptomycin	Life Technologies	15140122	Store at 4°C.
Cell Line Nucleofector Kit V	Lonza	VCA-1003	Store at 4°C.
2% gelatin solution	Sigma-Aldrich	G1393	Store at 4°C, liquify in 37°C water bath before use.
Hank's Balanced Saline Solution (HBSS)	Life Technologies	14175-103	Store at 4°C.
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM)	Life Technologies	11965-092	Store at 4°C.
Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM)	Life Technologies	12440-061	Store at 4°C.
L-glutamine, 200 mM	Life Technologies	25030-081	Aliquot, freeze at -20°C.
non-essential amino acids (NEAA), 100X	Life Technologies	11140-050	Store at 4°C, away from light.
DMEM/Ham's F12, 1:1	Fisher Scientific	SH30023.02	Store at 4°C.
KnockOut Serum Replacement	Life Technologies	10828-028	Aliquot, freeze at -20°C.
sodium pyruvate, 100 mM	Life Technologies	11360-070	Store at 4°C.
sodium bicarbonate, 7.5%	Life Technologies	25080094	Store at 4°C.
basic fibroblast growth factor (bFGF)	Life Technologies	PHG0263	Make 10 mg/mL stock in DPBS, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
sodium butyrate	Sigma-Aldrich	B5887-1G	Make 2000X stock (400 mM) in DPBS, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
hES Cell Cloning & Recovery Supplement	Stemgent	01-0014-500	Store at -20°C until needed. Once thawed, store at 4°C.
ESC-qualified BD matrigel	BD Biosciences	35-4277	Thaw overnight on ice at 4°C, aliquot into pre-chilled tubes using pre-chilled pipette tips. Store at -20°C until needed. Thaw at 4°C, use immediately.
StemSpan SFEM	STEMCELL Technologies	9650	Aliquot, freeze at -20°C.
ascorbic acid, powdered	Sigma-Aldrich	A4403-100MG	Make 5 mg/mL stock in DPBS, sterile filter, store at 4°C.
recombinant human stem cell factor (SCF)	R & D Systems	255-SC-010	Make 100 μg/mL stock in SFEM, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
recombinant human interleukin 3 (IL-3)	R & D Systems	203-IL-010	Make 100 μg/mL stock in SFEM, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
erythropoietin (EPO)	R & D Systems	287-TC-500	Make 1000 U/mL stock in SFEM, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
recombinant human insulin-like growth factor 1 (IGF-1)	R & D Systems	291-G1-200	Make 100 μg/mL stock in SFEM, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
β-mercaptoethanol	Sigma-Aldrich	M7522	Make 1000X stock (100 mM) in DPBS.
dexamethasone	Sigma-Aldrich	D4902-25MG	Make 50X stock (50 μM) in DPBS, sterile filter, store at 4°C.
SAHA (vorinostat)	Cayman Chemical	149647-78-9	Make 2000X stock (400 mM) in DPBS, aliquot, freeze at -20°C. Once thawed, store at 4°C.
12 well tissue culture plate	Fisher Scientific	08-772-29
15 mL conical tube	Sarstedt	62553002
1.5 mL Eppendorf tube	Fisher Scientific	05-408-129
6 well tissue culture plate	Fisher Scientific	08-772-1B
35 mm tisue culture plates	BD Biosciences	353001
10 mL disposable serological pipettes	Fisher Scientific	13-675-20
5 mL disposable serological pipettes	Fisher Scientific	13-675-22
2 mL disposable serological pipettes	Fisher Scientific	13-675-17
20 μL pipette tips, barrier tips	Genessee	24-404
glass Pasteur pipettes	Fisher Scientific	13-678-20D
pipette aid	Fisher Scientific	13-681-15
pCXLE-hOCT3/4-shp53-F	Addgene	27077
pCXLE-hSK	Addgene	27078
pCXLE-hUL	Addgene	27080
pCXLE-EGFP	Addgene	27082
pCXWB-EBNA1	Addgene	37624