Summary

Omdannelse af humane induceret pluripotente stamceller (iPSCs) til funktionel spinal og kraniel motor neuroner brug PiggyBac vektorer

Published: May 01, 2019
doi:

Summary

Denne protokol giver mulighed for hurtig og effektiv omdannelse af inducerede pluripotente stamceller til motoriske neuroner med en spinal eller kranie identitet, ved Ektopisk udtryk af transkription faktorer fra inducerble piggybac vektorer.

Abstract

Vi beskriver her en metode til at opnå funktionelle spinal og kraniel motoriske neuroner fra menneskeskabte pluripotente stamceller (iPSCs). Direkte omdannelse til motor neuron er opnået ved Ektopisk udtryk af alternative moduler af transkription faktorer, nemlig Ngn2, Isl1 og Lhx3 (NIL) eller Ngn2, Isl1 og Phox2a (NIP). NIL og NIP specificere henholdsvis spinal og kraniel motoriske neuron identitet. Vores protokol starter med dannelsen af modificerede iPSC linjer, hvor NIL eller NIP er stabilt integreret i genomet via en piggyBac transposon vektor. Ekspressionen af transgener induceres derefter af doxycyclin og fører i 5 dage til omdannelsen af iPSCs til MN-progenitorer. Efterfølgende modning, i 7 dage, fører til homogene populationer af spinal eller craniale MNs. Vores metode rummer flere fordele i forhold til tidligere protokoller: den er ekstremt hurtig og forenklet; Det kræver ikke virus infektion eller yderligere MN-isolation. Det gør det muligt at generere forskellige MN subpopulationer (spinal og Cranial) med en bemærkelsesværdig grad af modning, som påvist ved evnen til at brand tog af action potentialer. Desuden kan et stort antal motoriske neuroner opnås uden rensning fra blandede populationer. iPSC-afledte spinal og kraniel motor neuroner kan bruges til in vitro modellering af amyotrofisk lateral sklerose og andre neurodegenerative sygdomme i motor neuron. Homogene motoriske neuron populationer kan repræsentere en vigtig ressource for celletype specifikke Drug screeninger.

Introduction

Motorisk neuron (MN) degeneration spiller en årsagssammenhæng rolle i menneskelige sygdomme som Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) og spinal muskuløs atrofi (SMA). Etablering af egnede in vitro-celle modelsystemer, der oversigter kompleksiteten af det menneskelige MN, er et vigtigt skridt i retning af udvikling af nye terapeutiske tilgange. Induceret pluripotente stamceller (ipscs), som er udstyret med bemærkelsesværdige plurilineage differentiering egenskaber, er nu blevet afledt af en række patienter ramt af motoriske neuron sygdomme1,2. Yderligere iPSC linjer transporterer patogene mutationer forbundet til MN sygdomme er blevet genereret af genredigering, begyndende fra kontrol “sund” pluripotente stamceller3. Disse linjer repræsenterer nyttige værktøjer til in vitro-sygdoms modellering og lægemiddel screening, forudsat at der findes passende metoder til differentiering af iPSC i MNs. Rationalet bag udviklingen af denne metode er at give forskersamfundet, der er interesseret i MN-sygdomme, en hurtig og effektiv differentierings protokol, der giver anledning til modne funktionelle MNs. Den første fordel ved denne metode er dens tidsramme for udførelse. Et andet relevant punkt af styrke kommer fra fjernelsen af ethvert rensningstrin. Endelig kan protokollen bruges til at generere to forskellige populationer af motoriske neuroner.

Muligheden for at generere forskellige undertyper af MNs er særlig relevant for modellering af MN-sygdomme. Ikke alle MN-undertyper er lige så sårbare i ALS og SMA, og symptomdebut i forskellige motor enheder påvirker i høj grad prognosen. I ALS, spinal debut med symptomer, der starter i øvre og nedre lemmer fører til døden i omkring 3-5 år4. Omvendt, bulbar debut, begyndende med degeneration af kranielle MNs, har en værste prognose. Desuden er andelen af bulbar debut signifikant højere hos patienter med mutationer i RNA-bindende proteiner FUS og TDP-43 end hos personer med SOD1 mutationer5. Næsten alle alternative MN-differentierings protokoller er baseret på aktiviteten af retinoinsyre (RA), som giver en spinal karakter til at differentiere ipscs6,7,8. Dette begrænser muligheden for at studere iboende faktorer, som kan være beskyttende i specifikke MN undertyper9,10.

I overensstemmelse med en tidligere arbejde i mus embryonale stamceller11, har vi for nylig vist, at i human ipscs ektopic udtryk for Ngn2, Isl1 og Lhx3 (Nil) inducerer en spinal MN identitet, mens Ngn2 og Isl1 plus Phox2a (NIP) angive kranie mns12. Vi har derfor udviklet en effektiv protokol, der fører til produktion af menneskelige MNs udstyret med funktionelle egenskaber i en 12 dages turnaround. Formålet med denne metode er at opnå, inden for en kort tidsramme og uden behov for rensning (f. eks. ved FACS), cellepopulationer stærkt beriget for MNs med spinal eller kraniel identitet.

Protocol

1. vedligeholdelse af humane iPSCs Fremstilling af matrix belagte plader Tø et 5 mL hætteglas med matrix (Se tabel over materialer) ved 4 °c om natten. De oprindelige matrixer stammer fra forskellige Stam koncentrationer, og der laves aliquoter i overensstemmelse med den fortyndingsfaktor, der er angivet på dataarket, specifikt for det enkelte parti. Det er vigtigt at holde hætteglasset og rørene iskold for at forhindre for tidlig gelerings af matricen. Der ska…

Representative Results

En skematisk beskrivelse af differentierings metoden er vist i figur 1. Humane iPSCs (WT I linje3) blev transficeret med EPB-BSD-TT-Nil eller EPB-BSD-TT-NIP, genererer, efter blasticidin udvælgelse, stabile og inducerbare cellelinjer12, i det følgende benævnt IPSC-Nil og IPSC-NIP, hhv. Differentierende celler blev karakteriseret for udtrykket af pluripotens markør OCT4 og den pan-neuronal markør TUJ1. Immun farvning analyse viste ensartet …

Discussion

Denne protokol gør det muligt effektivt at konvertere humane iPSCs til spinal og kraniel motor neuroner takket være ektopic udtryk af Lineage-specifikke transkription faktorer. Disse transgener er inducerbare af doxycyclin og stabilt integreret i genomet takket være en transposon-baseret vektor med piggyBac. I en blandet population, en eller flere eksemplarer af piggyBac vektor vil blive tilfældigt integreret i genomet af de enkelte celler, øge risikoen for genomintegritet ændringer. Desuden kan en progressiv udvæ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne ønsker at takke Imaging Facility på Center for Life Nano Science, Istituto Italiano di tecnologia, for støtte og teknisk rådgivning. Vi er taknemmelige for medlemmer af Center for Life Nano Science for nyttige diskussioner. Dette arbejde blev delvist understøttet af et tilskud fra AriSLA (pilot tilskud 2016 “StressFUS”) til AR.

Materials

5-Bapta Sigma-Aldrich A4926-1G chemicals for electrophysiological solutions
Accutase Sigma-Aldrich A6964-100ML  Cell dissociation reagent
anti-CHAT EMD Millipore  AB144P Anti-Choline Acetyltransferase. Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_2079751; Lot number: 2971003
anti-goat Alexa Fluor 488  Thermo Fisher Scientific  A11055 Secondary antibody used for immonofluorescence assays. RRID: AB_2534102; Lot number: 1915848
anti-mouse Alexa Fluor 647 Thermo Fisher Scientific  A31571 Secondary antibody used for immonofluorescence assays. RRID: AB_162542; Lot number: 1757130
anti-Oct4  BD Biosciences 611202 Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_398736; Lot number: 5233722
anti-Phox2b Santa Cruz Biotechnology, Inc. sc-376997 Primary antibody used in immunostaining assays. Lot number: E0117
anti-rabbit Alexa Fluor 594  Immunological Sciences IS-20152-1 Secondary antibody used for immonofluorescence assays
anti-TUJ1  Sigma-Aldrich  T2200 Primary antibody used in immunostaining assays. RRID: AB_262133
B27 Miltenyi Biotec 130-093-566 Serum free supplement for neuronal cell maintenance
Bambanker Nippon Genetics NGE-BB02 Cell freezing medium, used here for motor neuron progenitors
BDNF PreproTech 450-02 Brain-Derived Neurotrophic Factor
Blasticidin Sigma-Aldrich 203350 Nucleoside antibiotic that inhibits protein synthesis in prokaryotes and eukaryotes
BSA Sigma-Aldrich A2153 Bovine Serum Albumin. Blocking agent to prevent non-specific binding of antibodies in immunostaining assays
CaCl2 Sigma-Aldrich C3881 chemicals for electrophysiological solutions
Clampex 10 software Molecular Devices Clampex 10 Membrane currents recording system
Corning Matrigel hESC-qualified Matrix Corning 354277 Reconstituted basement membrane preparation from the Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) mouse sarcoma. Used for adhesion of iPSC to plastic and glass supports
CRYOSTEM ACF FREEZING MEDIA Biological Industries 05-710-1E Freezing medium for human iPSCs
D-Glucose Sigma-Aldrich G5146 chemicals for electrophysiological solutions
DAPI powder Roche 10236276001 4′,6-diamidino-2-phenylindole. Fluorescent stain that binds to adenine–thymine rich regions in DNA used for nuclei staining in immonofluorescence assays
DAPT AdipoGen AG-CR1-0016-M005 Gamma secretase inhibitor
Dispase Gibco 17105-041 Reagent for gentle dissociation of human iPSCs
DMEM/F12 Sigma-Aldrich D6421-500ML Basal medium for cell culture
Doxycycline Sigma-Aldrich D9891-1G  Used to induce expression of transgenes from epB-Bsd-TT-NIL and epB-Bsd-TT-NIP vectors
DS2U  WiCell UWWC1-DS2U Commercial human iPSC line
E.Z.N.A Total RNA Kit  Omega bio-tek R6834-02 Kit for total extraction of RNA from cultured eukaryotic cells
GDNF PreproTech 450-10 Glial-Derived Neurotrophic Factor
Gibco Episomal hiPSC Line Thermo Fisher Scientific A18945 Commercial human iPSC line
Glutamax Thermo Fisher Scientific 35050038 An alternative to L-glutamine with increased stability. Improves cell health.
Hepes Sigma-Aldrich H4034 chemicals for electrophysiological solutions
iScript Reverse Transcription Supermix for RT-qPCR  Bio-Rad 1708841 Kit for gene expression analysis using real-time qPCR
iTaqTM Universal SYBR Green Supermix  Bio-Rad 172-5121  Ready-to-use reaction master mix optimized for dye-based quantitative PCR (qPCR) on any real-time PCR instrument
K-Gluconate Sigma-Aldrich G4500 chemicals for electrophysiological solutions
KCl Sigma-Aldrich P9333 chemicals for electrophysiological solutions
L-ascorbic acid LKT Laboratories A7210 Used in cell culture as an antioxidant
Laminin Sigma-Aldrich 11243217001 Promotes attachment and growth of neural cells in vitro
Laser scanning confocal microscope  Olympus  iX83 FluoView1200 Confocal microscope for acquisition of immunostaining images
Mg-ATP Sigma-Aldrich A9187 chemicals for electrophysiological solutions
MgCl2 Sigma-Aldrich M8266 chemicals for electrophysiological solutions
Mounting Medium  Ibidi 50001 Mounting solution used for confocal microscopy and immunofluorescence assays
Multiclamp patch-clamp amplifier Molecular Devices 700B Membrane currents recording system
Na-GTP Sigma-Aldrich G8877 chemicals for electrophysiological solutions
NaCl Sigma-Aldrich 71376 chemicals for electrophysiological solutions
NEAA Thermo Fisher Scientific 11140035 Non-Essential Amino Acids. Used as a supplement for cell culture medium, to increase cell growth and viability.
Neon 100 μL Kit Thermo Fisher Scientific MPK10096 Cell electroporation kit
Neon Transfection System Thermo Fisher Scientific MPK5000 Cell electroporation system
Neurobasal Medium Thermo Fisher Scientific 21103049 Basal medium designed for long-term maintenance and maturation of neuronal cell populations without the need for an astrocyte feeder layer
NutriStem-XF/FF  Biological Industries 05-100-1A Human iPSC culture medium
Paraformaldehyde Electron Microscopy Sciences 157-8 Used for cell fixation in immunostaining assays
PBS Sigma-Aldrich D8662-500ML Dulbecco s Phosphate Buffer Saline w Calcium w Magnesium
PBS Ca2+/Mg2+ free Sigma-Aldrich D8537-500ML Dulbecco s Phosphate Buffer Saline w/o Calcium w/o Magnesium
Penicillin/Streptomycin  Sigma-Aldrich P4333-100ML Penicillin/Streptomicin solution used to prevent cell culture contamination from bacteria.
poly-ornithine Sigma-Aldrich P4957 Promotes attachment and growth of neural cells in vitro
SU5402 Sigma-Aldrich SML0443-5MG Selective inhibitor of vascular endothelial growth factor receptor 2 (VEGFR-2)
Triton X-100  Sigma-Aldrich T8787 4-(1,1,3,3-Tetramethylbutyl)phenyl-polyethylene glycol, t-Octylphenoxypolyethoxyethanol, Polyethylene glycol tert-octylphenyl ether. Used for cell permeabilization in immunostaining assays
Upright microscope Olympus BX51VI Microscope for electrophysiological recording equipped with CoolSnap Myo camera 
Y-27632  (ROCK inhibitor) Enzo Life Sciences ALX-270-333-M005  Cell-permeable selective inhibitor of Rho-associated, coiled-coil containing protein kinase (ROCK). Increases iPSC survival
μ-Slide 8 Well  Ibidi 80826 Support for high–end microscopic analysis of fixed cells

References

  1. Dimos, J. T., et al. Induced Pluripotent Stem Cells Generated from Patients with ALS Can Be Differentiated into Motor Neurons. Science (New York, NY). 321 (5893), 1218 (2008).
  2. Ebert, A. D., et al. Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature. 457 (7227), 277-280 (2009).
  3. Lenzi, J., et al. ALS mutant FUS proteins are recruited into stress granules in induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) derived motoneurons. Disease models & mechanisms. 8 (7), 755-766 (2015).
  4. Wijesekera, L. C., Leigh, P. N. Amyotrophic lateral sclerosis. Orphanet journal of rare diseases. 4 (3), 1-22 (2009).
  5. Yan, J., et al. Frameshift and novel mutations in FUS in familial amyotrophic lateral sclerosis and ALS/dementia. Neurology. 75 (9), 807-814 (2010).
  6. Boulting, G. L., et al. A functionally characterized test set of human induced pluripotent stem cells. Nature biotechnology. 29 (3), 279-286 (2011).
  7. Amoroso, M. W., et al. Accelerated high-yield generation of limb-innervating motor neurons from human stem cells. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 33 (2), 574-586 (2013).
  8. Maury, Y., et al. Combinatorial analysis of developmental cues efficiently converts human pluripotent stem cells into multiple neuronal subtypes. Nature biotechnology. 33 (1), 89-96 (2015).
  9. Allodi, I., et al. Differential neuronal vulnerability identifies IGF-2 as a protective factor in ALS. Scientific reports. 6, 25960 (2016).
  10. Kaplan, A., et al. Neuronal matrix metalloproteinase-9 is a determinant of selective neurodegeneration. Neuron. 81 (2), 333-348 (2014).
  11. Mazzoni, E. O., et al. Synergistic binding of transcription factors to cell-specific enhancers programs motor neuron identity. Nature neuroscience. 16 (9), 1219-1227 (2013).
  12. De Santis, R., Garone, M. G., Pagani, F., de Turris, V., Di Angelantonio, S., Rosa, A. Direct conversion of human pluripotent stem cells into cranial motor neurons using a piggyBac vector. Stem Cell Research. 29, 189-196 (2018).
  13. Yusa, K., Zhou, L., Li, M. A., Bradley, A., Craig, N. L. A hyperactive piggyBac transposase for mammalian applications. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (4), 1531-1536 (2011).
  14. Sances, S., et al. Modeling ALS with motor neurons derived from human induced pluripotent stem cells. Nature Neuroscience. 16 (4), 542-553 (2016).
  15. Miller, J. D., et al. Human iPSC-based modeling of late-onset disease via progerin-induced aging. Cell stem cell. 13 (6), 691-705 (2013).
  16. Lenzi, J., et al. Differentiation of control and ALS mutant human iPSCs into functional skeletal muscle cells, a tool for the study of neuromuscolar diseases. Stem Cell Research. 17 (1), 140-147 (2016).
  17. Zhang, Y., et al. Rapid Single-Step Induction of Functional Neurons from Human Pluripotent Stem Cells. Neuron. 78 (5), 785-798 (2013).
  18. Theka, I., et al. Rapid generation of functional dopaminergic neurons from human induced pluripotent stem cells through a single-step procedure using cell lineage transcription factors. Stem cells translational medicine. 2 (6), 473-479 (2013).
  19. Pawlowski, M., et al. Inducible and Deterministic Forward Programming of Human Pluripotent Stem Cells into Neurons, Skeletal Myocytes, and Oligodendrocytes. Stem Cell Reports. 8 (4), 803-812 (2017).
  20. Li, X., et al. Fast Generation of Functional Subtype Astrocytes from Human Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Reports. 11 (4), 998-1008 (2018).
  21. Nehme, R., et al. Combining NGN2 Programming with Developmental Patterning Generates Human Excitatory Neurons with NMDAR-Mediated Synaptic Transmission. Cell reports. 23 (8), 2509-2523 (2018).
check_url/kr/59321?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Garone, M. G., de Turris, V., Soloperto, A., Brighi, C., De Santis, R., Pagani, F., Di Angelantonio, S., Rosa, A. Conversion of Human Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) into Functional Spinal and Cranial Motor Neurons Using PiggyBac Vectors. J. Vis. Exp. (147), e59321, doi:10.3791/59321 (2019).

View Video