장기 및 단기 조혈모세포의 분리 방법
Summary
우리는 Hoxb5 리포터 시스템을 사용하여 장기 조혈 줄기 세포(LT-HSC) 및 단기 HSC(ST-HSC)의 분리를 위한 단계별 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
자가 재생 능력과 다중 계통 분화 잠재력은 일반적으로 조혈 줄기 세포(HSC)의 정의 특성으로 간주됩니다. 그러나 많은 연구에서 HSC 구획에 기능적 이질성이 존재한다고 제안했습니다. 최근의 단일 세포 분석에서는 HSC 구획 내에서 서로 다른 세포 운명을 가진 HSC 클론이 보고되었으며, 이를 편향된 HSC 클론이라고 합니다. 이질적이거나 재현성이 낮은 결과의 기본 메커니즘은 거의 이해되지 않았으며, 특히 정제된 HSC 분획을 기존 면역염색에 의해 이식할 때 자가 재생 길이와 관련하여 거의 이해되지 않았습니다. 따라서 장기 HSC(LT-HSC) 및 단기 HSC(ST-HSC)에 대한 재현 가능한 격리 방법을 확립하는 것이 이 문제를 극복하는 데 중요합니다. 편향되지 않은 다단계 스크리닝을 사용하여 마우스 조혈 시스템에서 LT-HSC의 배타적 마커일 수 있는 전사 인자인 Hoxb5를 확인했습니다. 이 발견을 바탕으로 Hoxb5 리포터 마우스 라인을 구축하고 LT-HSC 및 ST-HSC를 성공적으로 분리했습니다. 여기에서는 Hoxb5 리포터 시스템을 사용하여 LT-HSC 및 ST-HSC를 분리하기 위한 자세한 프로토콜을 설명합니다. 이 분리 방법은 연구자들이 자가 재생 메커니즘과 HSC 구획의 이러한 이질성에 대한 생물학적 기초를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
Introduction
조혈모세포(HSC)는 자가재생 능력과 분화능을 지니고 있으며, 조혈 계층의 정점에 위치한다 1,2. 1988년 Weissman과 동료들은 유세포 분석을 사용하여 마우스 HSC의 분리를 달성할 수 있음을 처음으로 입증했습니다3. 그 후, 세포 표면 마커의 조합에 의해 정의된 분획인 Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/loFlk2−는 마우스 4,5,6,7,8에서 모든 HSC를 포함하는 것으로 보고되었습니다.
면역표현형으로 정의된 (Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/loFlk2−) HSC(이하 pHSC)는 이전에 기능적으로 동질적인 것으로 간주되었습니다. 그러나 최근의 단일 세포 분석에 따르면 pHSC는 자가 재생 능력9,10 및 다분화성11,12와 관련하여 여전히 이질성을 나타냅니다. 특히, pHSC 분획에는 자가 재생 능력과 관련하여 두 가지 집단이 존재하는 것으로 보입니다: 지속적인 자가 재생 능력을 가진 장기 조혈 줄기 세포(LT-HSC)와 일시적인 자가 재생 능력을 갖는 단기 조혈 줄기 세포(ST-HSC) 9,10.
현재까지 LT-HSC와 ST-HSC를 구별하는 자가 재생 능력의 분자 메커니즘은 잘 알려져 있지 않습니다. 자가 재생 능력에 따라 두 세포 집단을 분리하고 기본 분자 메커니즘을 발견하는 것이 중요합니다. LT-HSC13,14,15를 정제하기 위해 여러 리포터 시스템도 도입되었습니다. 그러나 각 리포터 시스템에서 정의한 LT-HSC 순도는 가변적이며 현재까지 독점적인 LT-HSC 정제가 달성되지 않았습니다.
따라서 LT-HSC 및 ST-HSC에 대한 격리 시스템을 개발하면 pHSC 부분의 자가 재생 용량에 관한 연구가 가속화될 것입니다. LT-HSC와 ST-HSC의 분리에서 다단계 편향되지 않은 스크리닝을 사용한 연구에서는 pHSC 분획16에서 이질적으로 발현되는 단일 유전자 Hoxb5를 확인했습니다. 또한, Hoxb5 리포터 마우스의 골수 분석은 pHSC 분획의 약 20%-25%가 Hoxb5 pos 세포로 구성되어 있음을 밝혀냈다. Hoxb5pos pHSC 및 Hoxb5 neg pHSC를 사용한 경쟁적 이식 분석에서 Hoxb5pos pHSC만이 장기 자가 재생 능력을 갖는 반면 Hoxb5neg pHSC는 단기간 내에 자가 재생 능력을 상실하는 것으로 나타났으며, 이는 Hoxb5가 pHSC 분획16에서 LT-HSC를 식별함을 나타냅니다.
여기에서는 Hoxb5 리포터 시스템을 사용하여 LT-HSC와 ST-HSC를 분리하는 단계별 프로토콜을 시연합니다. 또한 Hoxb5pos/neg pHSC의 자가 재생 능력을 평가하기 위한 경쟁력 있는 이식 분석을 제시합니다(그림 1). 이 Hoxb5 리포터 시스템을 통해 LT-HSC와 ST-HSC를 전향적으로 분리할 수 있으며 LT-HSC 특정 특성을 이해하는 데 기여합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
전통적으로, 세포 표면 마커로 정의된 HSC는 자가 재생 능력 및 다능성과 같은 HSC의 기능을 연구하기 위해 준비되었다 19,20,21. 그러나 면역 표현형으로 정의된 (Lineage−c-Kit+Sca-1+CD150+CD34−/lo Flk2−) HSC 분획에는 LT-HSC 및 ST-HSC의 두 가지 개별 HSC 집단이 포함됩니다 9,10</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
동물 관리와 RIKEN BDR의 수혜 마우스를 제공한 키요나리 히로시, 고베 대학의 실험실 관리를 위해 오가 히토미, 나가사카 카요코, 미야하시 마사키에게 감사드립니다. 저자는 또한 이 작업에 대한 지속적인 지원에 크게 감사드립니다. 미야니시 마사노리는 일본 과학 진흥 협회 (JSPS) KAKENHI 보조금 번호 JP17K07407 및 JP20H03268, 모치다 의료 및 제약 연구 재단, 일본 생명 과학 재단, 다케다 과학 재단, 아스텔라스 대사 장애 연구 재단 및 AMED-PRIME, AMED의 지원을 받았습니다. 허가 번호 JP18gm6110020. Taro Sakamaki는 JSPS KAKENHI 보조금 번호 JP21K20669 및 JP22K16334의 지원을 받았으며 JSPS Core-to-Core 프로그램 및 RIKEN Junior Research Associate Program. 니시 카츠유키는 JSPS 보조금 번호 KAKENHI JP18J13408의 지원을 받았습니다.
Materials
| 0.2 mL Strip of 8 Tubes, Dome Cap | SSIbio | 3230-00 | |
| 0.5M EDTA pH 8.0 | Iinvtrogen | AM9260G | |
| 100 µm Cell Strainer | Falcon | 352360 | |
| 30G insulin syringe | BD | 326668 | |
| 40 µm Cell Strainer | Falcon | 352340 | |
| 5 mL Round Bottom Polystyrene Test Tube, with Cell Strainer Snap Cap | FALCON | 352235 | |
| 7-AAD Viability Staining Solution | BioLegend | 420404 | |
| 96 well U-Bottom | FALCON | 351177 | |
| Anti-APC-MicroBeads | Milteny biotec | 130-090-855 | |
| Aspirator with trap flask | Biosan | FTA-1 | |
| B220-Alexa Fluor 700 (RA3-6B2) | BioLegend | 103232 | |
| B220-Biotin (RA3-6B2) | BioLegend | 103204 | |
| B220-BV786 (RA3-6B2) | BD Biosciences | 563894 | |
| B6.CD45.1 congenic mice | Sankyo Labo Service | N/A | |
| Baytril 10% | BAYER | 341106546 | |
| BD FACS Aria II special order system | BD | N/A | |
| Brilliant stain buffer | BD | 566349 | |
| CD11b-Alexa Fluor 700 (M1/70) | BioLegend | 101222 | |
| CD11b-Biotin (M1/70) | BioLegend | 101204 | |
| CD11b-BUV395 (M1/70) | BD Biosciences | 563553 | |
| CD11b-BV711 (M1/70) | BD Biosciences | 563168 | |
| CD127-Alexa Fluor 700 (A7R34) | Invitrogen | 56-1271-82 | |
| CD150-BV421 (TC15-12F12.2) | BioLegend | 115943 | |
| CD16/CD32-Alexa Fluor 700 (93) | Invitrogen | 56-0161-82 | |
| CD34-Alexa Fluor 647 (RAM34) | BD Biosciences | 560230 | |
| CD34-FITC (RAM34) | Invitrogen | 11034185 | |
| CD3-Alexa Fluor 700 (17A2) | BioLegend | 100216 | |
| CD3ε -Biotin (145-2C11) | BioLegend | 100304 | |
| CD3ε -BV421 (145-2C11) | BioLegend | 100341 | |
| CD45.1/CD45.2 congenic mice | N/A | N/A | Bred in our Laboratory |
| CD45.1-FITC (A20) | BD Biosciences | 553775 | |
| CD45.2-PE (104) | BD Biosciences | 560695 | |
| CD4-Alexa Fluor 700 (GK1.5) | BioLegend | 100430 | |
| CD4-Biotin (GK1.5) | BioLegend | 100404 | |
| CD8a-Alexa Fluor 700 (53-6.7) | BioLegend | 100730 | |
| CD8a-Biotin (53-6.7) | BioLegend | 100704 | |
| Centrifuge Tube 15ml | NICHIRYO | 00-ETS-CT-15 | |
| Centrifuge Tube 50ml | NICHIRYO | 00-ETS-CT-50 | |
| c-Kit-APC-eFluor780 (2B8) | Invitrogen | 47117182 | |
| D-PBS (-) without Ca and Mg, liquid | Nacalai | 14249-24 | |
| Fetal Bovine Serum | Thermo Fisher | 10270106 | |
| Flk2-PerCP-eFluor710 (A2F10) | eBioscience | 46135182 | |
| FlowJo version 10 | BD Biosciences | https://www.flowjo.com/solutions/flowjo | |
| Gmmacell 40 Exactor | Best theratronics | N/A | |
| Gr-1-Alexa Fluor 700 (RB6-8C5) | BioLegend | 108422 | |
| Gr-1-Biotin (RB6-8C5) | BioLegend | 108404 | |
| Hoxb5-tri-mCherry mice (C57BL/6J background) | N/A | N/A | Bred in our Laboratory |
| IgG from rat serum, technical grade, >=80% (SDS-PAGE), buffered aqueous solution | Sigma-Aldrich | I8015-100MG | |
| isoflurane | Pfizer | 4987-114-13340-3 | |
| Kimwipes S200 | NIPPON PAPER CRECIA | 6-6689-01 | |
| LS Columns | Milteny biotec | 130-042-401 | |
| Lysis buffer | BD | 555899 | |
| MACS MultiStand | Milteny biotec | 130-042-303 | |
| Microplate for Tissue Culture (For Adhesion Cell) 6Well | IWAKI | 3810-006 | |
| MidiMACS Separator | Milteny biotec | 130-042-302 | |
| Mouse Pie Cages | Natsume Seisakusho | KN-331 | |
| Multipurpose refrigerated Centrifuge | TOMY | EX-125 | |
| NARCOBIT-E (II) | Natsume Seisakusho | KN-1071-I | |
| NK-1.1-PerCP-Cy5.5 (PK136) | BioLegend | 108728 | |
| Penicillin-Streptomycin Mixed Solution | nacalai | 26253-84 | |
| Porcelain Mortar φ120mm with Pestle | Asone | 6-549-03 | |
| Protein LoBind Tube 1.5 mL | Eppendorf | 22431081 | |
| Sca-I-BUV395 (D7) | BD Biosciences | 563990 | |
| Stainless steel scalpel blade | FastGene | FG-B2010 | |
| Streptavidin-BUV737 | BD Biosciences | 612775 | |
| SYTOX-red | Invitrogen | S34859 | |
| Tailveiner Restrainer for Mice standard | Braintree | TV-150 STD | |
| TCRb-BV421 (H57-597) | BioLegend | 109230 | |
| Ter-119-Alexa Fluor 700 (TER-119) | BioLegend | 116220 | |
| Ter-119-Biotin (TER-119) | BioLegend | 116204 | |
| Terumo 5ml Concentric Luer-Slip Syringe | TERUMO | SS-05LZ | |
| Terumo Hypodermic Needle 23G x 1 | TERUMO | NN-2325-R |
References
- Weissman, I. L., Shizuru, J. A. The origins of the identification and isolation of hematopoietic stem cells, and their capability to induce donor-specific transplantation tolerance and treat autoimmune diseases. Blood. 112 (9), 3543-3553 (2008).
- Majeti, R., Park, C. Y., Weissman, I. L. Identification of a hierarchy of multipotent hematopoietic progenitors in human cord blood. Cell Stem Cell. 1 (6), 635-645 (2007).
- Spangrude, G. J., Heimfeld, S., Weissman, I. L. Purification and characterization of mouse hematopoietic stem cells. Science. 241 (4861), 58-62 (1988).
- Ogawa, M., et al. Expression and function of c-kit in hemopoietic progenitor cells. Journal of Experimental Medicine. 174 (1), 63-71 (1991).
- Ikuta, K., Weissman, I. L. Evidence that hematopoietic stem cells express mouse c-kit but do not depend on steel factor for their generation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 89 (4), 1502-1506 (1992).
- Osawa, M., Hanada, K., Hamada, H., Nakauchi, H. Long-term lymphohematopoietic reconstitution by a single CD34-low/negative hematopoietic stem cell. Science. 273 (5272), 242-245 (1996).
- Christensen, J. L., Weissman, I. L. Flk-2 is a marker in hematopoietic stem cell differentiation: A simple method to isolate long-term stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (25), 14541-14546 (2001).
- Kiel, M. J., et al. SLAM family receptors distinguish hematopoietic stem and progenitor cells and reveal endothelial niches for stem cells. Cell. 121 (7), 1109-1121 (2005).
- Morrison, S. J., Weissman, I. L. The long-term repopulating subset of hematopoietic stem cells is deterministic and isolatable by phenotype. Immunity. 1 (8), 661-673 (1994).
- Spangrude, G. J., Brooks, D. M., Tumas, D. B. Long-term repopulation of irradiated mice with limiting numbers of purified hematopoietic stem cells: In vivo expansion of stem cell phenotype but not function. Blood. 85 (4), 1006-1016 (1995).
- Dykstra, B., Olthof, S., Schreuder, J., Ritsema, M., de Haan, G. Clonal analysis reveals multiple functional defects of aged murine hematopoietic stem cells. Journal of Experimental Medicine. 208 (13), 2691-2703 (2011).
- Grover, A., et al. Single-cell RNA sequencing reveals molecular and functional platelet bias of aged haematopoietic stem cells. Nature Communications. 7, 11075 (2016).
- Kataoka, K., et al. Evi1 is essential for hematopoietic stem cell self-renewal, and its expression marks hematopoietic cells with long-term multilineage repopulating activity. Journal of Experimental Medicine. 208 (12), 2403-2416 (2011).
- Gazit, R., et al. Fgd5 identifies hematopoietic stem cells in the murine bone marrow. Journal of Experimental Medicine. 211 (7), 1315-1331 (2014).
- Acar, M., et al. Deep imaging of bone marrow shows non-dividing stem cells are mainly perisinusoidal. Nature. 526 (7571), 126-130 (2015).
- Chen, J. Y., et al. Hoxb5 marks long-term haematopoietic stem cells and reveals a homogenous perivascular niche. Nature. 530 (7589), 223-227 (2016).
- Ema, H., et al. Quantification of self-renewal capacity in single hematopoietic stem cells from normal and Lnk-deficient mice. Developmental Cell. 8 (6), 907-914 (2005).
- Morita, Y., Ema, H., Nakauchi, H. Heterogeneity and hierarchy within the most primitive hematopoietic stem cell compartment. Journal of Experimental Medicine. 207 (6), 1173-1182 (2010).
- Yamamoto, R., et al. Clonal analysis unveils self-renewing lineage-restricted progenitors generated directly from hematopoietic stem cells. Cell. 154 (5), 1112-1126 (2013).
- Fathman, J. W., et al. Upregulation of CD11A on hematopoietic stem cells denotes the loss of long-term reconstitution potential. Stem Cell Reports. 3 (5), 707-715 (2014).
- Oguro, H., Ding, L., Morrison, S. J. SLAM family markers resolve functionally distinct subpopulations of hematopoietic stem cells and multipotent progenitors. Cell Stem Cell. 13 (1), 102-116 (2013).
- Haas, S., Trumpp, A., Milsom, M. D. Causes and consequences of hematopoietic stem cell heterogeneity. Cell Stem Cell. 22 (5), 627-638 (2018).
- Schroeder, T. Hematopoietic stem cell heterogeneity: Subtypes, not unpredictable behavior. Cell Stem Cell. 6 (3), 203-207 (2010).
- Muller-Sieburg, C. E., Sieburg, H. B., Bernitz, J. M., Cattarossi, G. Stem cell heterogeneity: Implications for aging and regenerative medicine. Blood. 119 (17), 3900-3907 (2012).
- Duran-Struuck, R., Dysko, R. C. Principles of bone marrow transplantation (BMT): Providing optimal veterinary and husbandry care to irradiated mice in BMT studies. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 48 (1), 11-22 (2009).
- Nishi, K., et al. Identification of the minimum requirements for successful haematopoietic stem cell transplantation. British Journal of Haematology. 196 (3), 711-723 (2022).
- Sakamaki, T., et al. Hoxb5 defines the heterogeneity of self-renewal capacity in the hematopoietic stem cell compartment. Biochemical and Biophysical Research Communications. 539, 34-41 (2021).
