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基因发育。2006年6月1日;20(11): 1435–1440.
数字对象标识:10.1101/gad.1412806
预防性维修识别码:项目经理1475756
PMID:16751181

胰腺中PDX-1的持续表达通过Stat3激活导致腺泡-导管化生

摘要

转录因子胰腺和十二指肠同源盒因子1(PDX-1)在胰腺祖细胞中表达。在外分泌胰腺中,PDX-1在发育后期下调,而在胰腺癌和胰腺炎中PDX-1的上调已被报道。为了确定PDX-1的持续表达是否会影响胰腺发育,通过转基因方法在所有胰腺谱系中组成性表达PDX-1。转基因胰腺明显较小,腺泡细胞被导管样结构取代,伴有活化的Stat3。转基因胰腺中Stat3的基因消融显著抑制了化生表型。这些结果提供了胰腺化生的机制,通过持续的PDX-1表达细胞通过Stat3激活自动诱导腺泡-导管转变。

关键词:PDX-1,腺泡-导管过渡,化生,胰腺分化,Stat3

胰腺和十二指肠同源盒因子1(PDX-1)是同源域转录因子家族的成员,已被证明在胰腺的发育和分化过程中起着关键作用(Jonsson等人,1994年;Offield等人,1996年;桑德和德文1997;Edlund 2002年;Fujitani等人,2006年)。当前肠内胚层与普通胰腺前体细胞结合时,PDX-1最初在肠道区域表达,表达PDX-1的细胞产生所有三种类型的胰腺组织:内分泌、外分泌和导管(Ohlsson等人,1993年;Guz等人,1995年;Gu等人,2002年)。在外分泌细胞和导管细胞中,PDX-1型胚胎发育晚期后基因表达下调,在出生后胰腺中仅在外分泌细胞和导管细胞的有限亚群中观察到(Wu等人,1997年;Stoffers等人,1999年)。此外,已知PDX-1参与至少一个腺泡特异性基因弹性蛋白酶-1启动子的激活(Swift等人,1998年)。另一方面,在患有胰腺癌和胰腺炎的人类患者和一些小鼠模型中,PDX-1的重新调节已被报道(Song等人,1999年;Koizumi等人,2003年;Jensen等人,2005年)。PDX-1也在体外从腺泡成分分离的导管细胞中被诱导(Rooman等人,2000年)。因此,虽然在某些生理条件下可以观察到PDX-1表达的诱导,但PDX-1的再表达是一个致病因素还是仅仅是这些化生变化的结果仍有待阐明。

我们之前培育了一个转基因系“CAG-CAT-PDX1”小鼠,该小鼠可以使用Cre-loxP系统诱导PDX-1的外源表达(Miyatsuka等人,2003年)。为了解决PDX-1在所有三种胰腺谱系中持续表达的影响,我们将CAG-CAT-PDX1小鼠与Ptf1a-Cre小鼠杂交,后者表达Cre重组酶,由Ptf1a公司(PTF1-p48型)三种胰腺细胞前体中的基因启动子(川口等人,2002年)。在本研究中,我们表明PDX-1的持续表达足以以细胞自主的方式诱导腺泡-导管化生。在化生性导管样细胞中,信号转导子和转录激活子3(Stat3)被激活,这在其他胰腺化生小鼠模型中也有报道(Greten等人,2002年)。此外,通过跨越Ptf1a-Cre,有条件地淘汰Stat3;CAG-CAT-PDX1小鼠和漂浮的Stat3小鼠表明,Stat3的激活对于导管样结构的形成至关重要。这些发现表明,PDX-1的上调和随后Stat3的激活在肾小管复合体形成的发病机制中起主要作用,这可能导致胰腺肿瘤的发生。

结果和讨论

在转基因CAG-CAT-PDX1小鼠株中,只有通过Cre介导的重组切除编码氯霉素酰基转移酶(CAT)的loxP侧翼终止盒后,转基因衍生PDX-1才会表达。重组后PDX-1型该基因在鸡β-肌动蛋白基因启动子和CMV增强子(CAG)的控制下组成性表达,该增强子在各种组织中具有强大的启动子活性(图。(图1A)。1安培)。为了在早期胚胎胰腺的所有三个谱系中诱导PDX-1的持续表达,将CAG-CAT-PDX1小鼠与Ptf1a-Cre敲除小鼠杂交,发现Ptf1a阳性祖细胞中表达Cre重组酶(川口等人,2002年)。通过额外的交叉,我们生成了Ptf1a-Cre;带有ROSA26-lacZ报告等位基因的CAG-CAT-PDX1小鼠,在细胞类型依赖性ROSA26启动子的控制下携带一个修饰的β-半乳糖苷酶基因,使我们能够对表达外源性PDX-1的细胞进行细胞系追踪(索里亚诺1999)。在Ptf1a-Cre的胰腺祖细胞中;CAG-CAT-PDX1;ROSA26-lacZ三基因小鼠,Ptf1a-驱动的Cre重组酶表达会切除CAG-CAT-PDX1和ROSA26-lacZ的终止盒,并且外源性PDX-1和β-半乳糖苷酶在其后代中组成性表达,即使Cre表达随后从细胞中消失。值得注意的是,Flag-tagged序列附着在转基因上,因此可以区分外源PDX-1和内源性PDX-1。首先,为了检测外源性PDX-1蛋白是否确实在转基因小鼠的胰腺祖细胞中表达,我们在发育早期对PDX-1和标记表位进行双重免疫染色。胚胎第10.5天(E10.5),在Ptf1a-Cre的胰腺芽和十二指肠中检测到PDX-1蛋白;CAG-CAT-PDX1小鼠,而外源性PDX-1仅在胰腺芽中检测到Flag阳性(图。1B–D级),这与Ptf1a公司前肠区域内的基因(Kawaguchi等人,2002年)。在E18.5时,虽然PDX-1在Ptf1a-Cre小鼠的胰岛中的表达比在导管上皮和腺泡细胞中更强,但Ptf1a-Cre的胰腺;CAG-CAT-PDX1小鼠在所有三种类型的细胞(胰岛、腺泡和导管)中都显示出PDX-1的强表达(图。1E、F).

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C介导外源性PDX-1的表达。(A类)CAG-CAT-PDX1和ROSA26报告基因座转基因及其Cre重组酶重组的示意图。在重组之前,PDX-1和lacZ的转录被漂浮的STOP盒阻断。当小鼠与表达Cre的小鼠交配时,Cre重组酶去除漂浮序列,CAG启动子和细胞型依赖性ROSA26启动子分别激活PDX-1和β-半乳糖苷酶的表达。(pA)聚腺苷酸化信号。(B–D类)Ptf1a-Cre中PDX-1(红色)和Flag标记肽(绿色)的共免疫荧光;E10.5处的CAG-CAT-PDX1小鼠。合并后的图像显示,外源性PDX-1仅在背胰腺(dp,由虚线包围)中表达,而在十二指肠(duo)中不表达。请注意,位于胰腺背外侧和静脉(v)中的红色和绿色斑点被认为是来自红细胞的自荧光信号。(E、 F类)对照组Ptf1a-Cre胰腺中PDX-1的免疫染色(E类)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1公司(F类)E18.5处的鼠标。在转基因胰腺中,除了胰岛细胞(被折线包围)外,PDX-1在80%以上的腺泡和导管细胞(箭头所示)中强烈表达。

转基因胰腺在1周龄前外观无明显异常。然而,~2周后,Ptf1a-Cre的整个胰腺;CAG-CAT-PDX1;ROSA26 lacZ小鼠被发现显著小于非转基因胰腺(图。2A、B)。转基因胰腺在3周龄时的重量比对照同窝婴儿轻约60%(补充图1A)。由于正常胰腺的外分泌部分占其重量的95%以上,因此推测转基因胰腺发育不全会伴有外分泌组织异常。因此,我们检测了转基因小鼠的胰腺外分泌功能。定量生化分析证实,转基因小鼠的脂肪酶和淀粉酶活性比同窝对照组降低了50倍以上(补充图1B,C)。与转基因胰腺外分泌酶显著降低的结果一致,油红O染色显示Ptf1a-Cre粪便涂片中有大量脂滴;CAG-CAT-PDX1小鼠(补充图1D,E)。

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Ptf1a-Cre胰腺发育不全;CAG-CAT-PDX1小鼠。(A、 B类)3周龄Ptf1a-Cre胰腺的宏观表型;ROSA26-lacZ小鼠(A类)和三原Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1;ROSA26 lacZ小鼠(B类)用X-半乳糖染色。注意三角胰腺的整体缩小。

转基因胰腺在1周龄前的显微形态没有明显异常(图。1E、F,3A、B)。然而,在10天左右,形态正常的腺泡区域基本消失,取而代之的是具有高核质比的异常致密细胞,在出生后2至3周,观察到大量具有导管状形态的细胞(图。3C–F级)。与对照窝鼠相比,转基因胰岛和小叶间导管的形态无明显异常。Ptf1a-Cre全胰腺提取物中检测到的免疫反应性胰岛素水平;CAG-CAT-PDX1小鼠略高于对照同窝小鼠(分别为1.26和0.90μg/g体重;n个= 4;第页<0.05),尽管通过Ki67和BrdU染色评估的胰岛中的细胞增殖率在3周龄的转基因胰腺中没有改变(数据未显示)。在转基因小鼠中,来自全胰腺提取物的胰高血糖素水平不受影响。

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Ptf1aCre中正常腺泡特征的丢失;CAG-CAT-PDX1小鼠。对照组和转基因胰腺的苏木精和伊红(HE)染色。1周龄胰腺在Ptf1a-Cre之间的形态无明显差异(A类)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1公司(B类)老鼠。棒材,50μm。(C–F类)3周龄Ptf1a-Cre胰腺HE染色切片(C、 E类)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1公司(D、 F类)老鼠。中的装箱区域C类D类以更高的放大倍数显示E类F、,分别是。(F类)Ptf1a-Cre的腺泡区分布着形态异常的导管样细胞(箭头)和小的腺泡样细胞(箭形);CAG-CAT-PDX1小鼠。棒材,100μm。(G–I型)PDX-1(绿色)和羧肽酶A(红色)的双重免疫染色。小PDX-1阳性细胞羧肽酶A阳性(J–L型)PDX-1(绿色)和细胞角蛋白(红色)的双重免疫染色。PDX-1阳性的导管样细胞呈细胞角蛋白阳性。

为了进一步评估这些表达外源性PDX-1的细胞的特征,对PDX-1和羧肽酶A(腺泡细胞中表达的胰腺外肽酶)以及PDX-1与细胞角蛋白(导管细胞的标记物)进行双重免疫染色(图。3G–L)。在3周龄的转基因胰腺中,大多数细胞质减少的致密细胞对PDX-1和羧肽酶A均呈阳性(图。3G–I)这表明这些细胞来源于腺泡细胞,外源性PDX-1导致外分泌谱系的畸形发生。另一方面,大多数表达高水平PDX-1的导管样细胞的细胞角蛋白呈阳性(图。3J–L型)表明这些细胞至少部分采用了导管细胞的特性。与对照小鼠的腺泡细胞相比,转基因胰腺中的这些导管样细胞和致密细胞具有更多的TUNEL阳性细胞(32.9对3.56个细胞/mm分别为;n个= 4;第页< 0.001). 这些数据表明,转基因胰腺的发育不全可能是致密细胞取代正常腺泡细胞和凋亡细胞增多的结果。

接下来,为了评估这些形态学变化是否是外源性PDX-1的直接影响,在3周龄的转基因胰腺中进行了针对Flag标签的免疫染色(图。4A、B)。虽然许多鞭毛阴性细胞似乎保持了正常腺泡细胞的形态,但表达外源性PDX-1的鞭毛阳性细胞严重萎缩(图。(图4A)4A级)或有异常的导管样形态(图。(图4B)。第4页)。这些细胞分布在腺泡区。这些发现表明,转基因胰腺中的表型是由PDX-1的细胞自主效应引起的,而不会损害邻近细胞,而PDX-1是阴性的。因此,我们假设PDX-1持续上调直接抑制腺泡细胞分化状态的形成和/或维持,PDX-1的程序性下调可能是维持外分泌分化正常所必需的。最近有报道称,PDX-1在胰腺中段发育期间以及早期胰腺芽发育期间是外分泌胰腺形成所必需的(Hale等人,2005年)。我们的转基因小鼠在1周龄前未表现出明显异常的原因可能与PDX-1表达对外分泌胰腺形成的需求有关。

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外源性PDX-1表达以细胞自主方式诱导腺泡-导管转变。(A、 B类)3周龄Ptf1a-Cre胰腺中Flag标签的免疫染色;CAG-CAT-PDX小鼠。标记阳性细胞(棕色)严重萎缩(A类)或有异常的导管样形态(B类)。1周龄胰腺切片的X-gal染色(C、 D类)和6周龄(E、 F类)突变小鼠。lacZ表达的蓝色染色标志着经历了Cre介导的重组的细胞。在Ptf1a-Cre的胰腺中;ROSA26-lacZ鼠标(C类),在所有腺泡细胞和导管上皮(箭头所示)和胰岛(由虚线包围)中的大多数细胞中都观察到了Cre介导的重组,而在Elastase-Cre的胰腺中;ROSA26-lacZ鼠标(D类)重组主要在腺泡细胞中观察到,而在小叶间导管(箭头)或胰岛(虚线环绕)中未观察到,尽管一些末端导管细胞(箭头)和少量胰岛细胞被标记出来。类似于Ptf1a-Cre的胰腺;CAG-CAT-PDX1;ROSA-lacZ小鼠(E类)在Elastase-Cre胰腺中有大量家族标记的导管样细胞;CAG-CAT-PDX1;ROSA26-lacZ小鼠(F类).

如图所示3(D、F、J–K)和4B,第4页在Ptf1a-Cre胰腺中观察到大量的导管样细胞;CAG-CAT-PDX1小鼠。这些导管样细胞有两个潜在来源:1)它们来源于腺泡细胞,发生了腺泡-导管转分化。2) 它们来源于导管细胞本身,并且发生了导管细胞的扩张。为了测试这些可能性,我们进行了细胞谱系研究。为了在外分泌谱系中选择性诱导PDX-1的外源表达,将CAG-CAT-PDX1小鼠与转基因Elastase-Cre小鼠杂交,后者在大鼠弹性蛋白酶启动子的控制下表达Cre重组酶(Grippo等人,2002年)。同时,将得到的小鼠与ROSA26-lacZ报告小鼠杂交。在Ptf1a-Cre的胰腺中;ROSA-lacZ小鼠,在所有三个谱系中均观察到Cre介导的重组,标记为蓝色β-半乳糖苷酶阳性细胞(图。(图4C),4摄氏度)而在弹性酶核心的胰腺中;ROSA-lacZ小鼠,主要在外分泌谱系中观察到重组,尽管一些末端导管和着丝粒细胞也有标记(图。(图4D)。4D(四维))。因此,在胰腺中的Elastase-Core;CAG-CAT-PDX1小鼠,PDX-1的外源性表达应主要在外分泌谱系中诱导。类似于Ptf1a-Cre的胰腺;CAG-CAT-PDX1;ROSA26-lacZ三基因小鼠(图。(图4E),第四版)在Elastase-Cre胰腺中观察到大量的导管样细胞,标记为蓝色细胞;CAG-CAT-PDX1;ROSA26-lacZ三基因小鼠(图。(图4F),4楼)1周龄前,三叉胰腺形态无明显异常。腺泡区大多数非蓝色染色细胞(图。4E、F)两种小鼠的腺泡形态似乎都保持正常。这些发现表明,PDX-1细胞的外源性表达可自主诱导腺泡至导管的转分化,尽管有可能PDX-1在插入细胞或中央腺泡细胞中的外源性表现可诱导这些细胞的增殖。为了排除这种可能性,在1周龄和2周龄时使用BrdU和Ki67的免疫染色来研究这些细胞的细胞增殖。由于Ptf1a-Cre之间导管末端上皮和中心腺泡细胞的增殖细胞数量没有差异;CAG-CAT-PDX1和对照Ptf1a-Cre小鼠(数据未显示),我们得出结论,Ptf1a-Cre中的导管样细胞;CAG-CAT-PDX1胰腺很可能来源于腺泡细胞。

为了验证PDX-1诱导腺泡-导管分化的分子机制,我们研究了信号转导子和转录激活子3(Stat3)的表达和激活,这两种物质在人胰腺癌导管结构内的细胞以及小鼠模型中被激活(Greten等人,2002年;Scholz等人,2003年)。对Tyr 705处磷酸化的Stat3进行免疫染色,发现在转基因Ptf1a-Cre中,许多化生细胞对磷酸化的Stat3呈阳性反应;CAG-CAT-PDX1胰腺,而对照胰腺中的腺泡和导管细胞均未磷酸化Stat3阳性(图。5A、B级)。此外,细胞因子信号抑制因子-3(SOCS3)是Stat3的下游介质,在转基因胰腺中过度表达(图。(图5C),5摄氏度)进一步为Stat3激活提供了证据,尽管在较高PCR周期数的对照胰腺中检测到低水平的SOCS3表达。探讨Stat3激活在诱导化生管样细胞Ptf1a-Cre中的病理生理学意义;CAG-CAT-PDX1小鼠与floxed-Stat3小鼠杂交(武田等人,1998年)。类似于Ptf1a-Cre的胰腺;CAG-CAT-PDX1;状态3+/+鼠标(图。3D、F)在Ptf1a-Cre胰腺中观察到大量的导管样细胞;CAG-CAT-PDX1;状态3弗洛克斯/+鼠标(图。(图5D)。第五天)。然而,在Ptf1a-Cre的胰腺中;CAG-CAT-PDX1;状态3flox/flox公司小鼠的腺泡区很少观察到导管样化生细胞,尽管仍存在一些致密细胞(图。(图5E)。第五版)。根据这种微观表型,在PDX-1过度表达的胰腺中观察到胰腺发育不全(图。(图2B,2B型,,5F)5英尺)在Ptf1a-Cre胰腺中显著恢复到野生型胰腺重量的70%以上;CAG-CAT-PDX1;状态3flox/flox公司鼠标(图。(图5G)。5克)。这些发现表明,Stat3激活对于PDX-1持续表达诱导的管状复合物的形成至关重要。

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Stat3激活对腺泡-导管过渡至关重要。(A、 B类)3周龄Ptf1a-Cre胰腺酪氨酸磷酸化Stat3的免疫染色;CAG-CAT-PDX1鼠标。而在对照胰腺中,腺泡和导管细胞中没有磷酸化Stat3阳性(A类)Ptf1a-Cre胰腺中有大量化生细胞磷酸化Stat3(棕色)阳性;CAG-CAT-PDX1小鼠(B类)。(C类)从CAG-CAT-PDX1胰腺中分离出总RNA(左边车道),Ptf1a-Cre(中间的车道)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1公司(正确的lane)小鼠,用SOCS3和β-actin引物进行RT-PCR。(D、 E类)3周龄Ptf1a-Cre胰腺HE染色切片;CAG-CAT-PDX1;状态3弗洛克斯/+(D类)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1;状态3flox/flox公司老鼠(E类)。导管样细胞D类在中未观察到E.公司。(F、 G公司)3周龄Ptf1a-Cre胰腺的宏观表型;CAG-CAT-PDX1;状态3弗洛克斯/+; ROSA26-lacZ公司(F类)和Ptf1a-Cre;CAG-CAT-PDX1;状态3flox/flox公司; ROSA26-lacZ公司(G公司)老鼠。胰腺发育不全F类在中显著恢复G.公司。

据报道,在人类和啮齿动物模型的胰腺炎和胰腺肿瘤中均出现导管样细胞或管状复合体(Parsa等人1985;博克曼1997;Wagner等人,1998年;Song等人,1999年;Means等人,2003年)。Song等人(1999年)观察到过度表达转化生长因子-α(TGF-α)的转基因小鼠的化生导管上皮中PDX-1表达上调。此外,据报道,PDX-1在人类患者和几种胰腺癌小鼠模型中再次表达(Hingorani等人,2003年;小泉等人,2003年)。此外,在表达TGF-α的小鼠模型、人类胰腺癌患者和人类胰腺癌细胞系中,已报道Stat3的激活(Greten等人,2002年;Scholz等人,2003年)。这些发现以及我们的数据表明,PDX-1的持续上调和随后Stat3的激活可导致腺泡-导管化生。这种新的机制可以解释在各种条件下观察到的导管化生的发病机制,如胰腺癌和胰腺炎。另一方面,PDX-1的异位表达也见于胃癌和梅内特里尔病的胃上皮病变以及胰腺化生病变中(Sakai等人,2004年;野村等,2005年)。由于化生与肿瘤的进展有关,因此进一步研究PDX-1在化生中的作用可能有助于更好地理解上皮癌变的分子机制。

另一方面,在大鼠弹性蛋白酶-1启动子(弹性蛋白酶-PDX1小鼠)的控制下,表达外源性PDX-1的转基因小鼠中没有发现明显的导管样细胞,尽管这些小鼠表现出明显的外分泌胰腺形态异常(Heller等人,2001年)。Elastase-PDX1小鼠和我们的CAG-CAT-PDX1鼠之间最重要的区别是调节PDX-1外源表达的启动子。转基因在弹性蛋白酶-PDX1小鼠中的表达是由外分泌特异性弹性蛋白酶-1启动子驱动的,因此随着表达PDX-1的腺泡细胞分化为其他类型的细胞并且弹性蛋白酶-1启动子活性下调,预计PDX-1的表达水平会降低。相反,由于我们的CAG-CAT-PDX1小鼠表达由CAG启动子驱动的外源性PDX-1,其中CMV-IE增强子与鸡β-actin基因启动子相连(Niwa等人,1991年),外源性PDX-1应在所有类型的细胞中构成活性,与分化状态无关。因此,PDX-1的持续而非短暂表达似乎对诱导腺泡至导管化生至关重要。

总之,我们的体内条件表达和失活系统表明,PDX-1的持续上调足以诱导外分泌谱系中的腺泡-导管化生,Stat3的激活对这种化生的形成至关重要。变塑性转化被认为是多种细胞机制的结果,例如反式-组织特异性干细胞的测定(或重编程)和一种分化细胞类型向另一种分化的实际转分化(2002年时断时续)。因此,本研究的下一个重要步骤是阐明外分泌细胞转分化为导管样复合体的发育阶段。换句话说,当外源性PDX-1仅在特定细胞类型(如完全分化的外分泌细胞)中诱导时,我们需要检查是否观察到相同的化生变化。为了解决这个问题,将我们的CAG-CAT-PDX1小鼠与其他携带可诱导Cre重组酶的转基因小鼠进行杂交是有用的,例如由弹性蛋白酶启动子驱动的表达他莫昔芬诱导Cre的转基因小鼠(Means等人,2005年).

材料和方法

转基因和敲除小鼠

按照说明生成Ptf1a-Cre、Elastase-Cre、CAG-CAT-PDX1、ROSA26-lacZ和floxed-Stat3小鼠(武田等人,1998年;索里亚诺1999;Grippo等人,2002年;Kawaguchi等人,2002年;Miyatsuka等人,2003年)。在整个研究中,年龄和性别匹配的野生型或单转基因同窝小鼠被用作对照小鼠。所有动物程序均由大阪大学医学研究生院动物实验伦理审查委员会批准。

组织学

对于组织学和免疫染色,如前所述对组织进行固定、切片和染色(Miyatsuka等人,2003年)。在以下稀释液中对PDX-1、Flag表位、羧肽酶A、细胞角蛋白和酪氨酸磷酸化Stat3进行免疫染色:兔和豚鼠抗PDX-1抗体(Hingorani等人,2003年)分别为1:1000和1:500;针对Flag表位标签(亲和生物试剂)的兔抗体,1:500;抗羧肽酶A的兔抗体(Biogenesis Ltd.),1:1000;兔抗Stat3单克隆抗体在Tyr 705磷酸化(细胞信号),1:100;小鼠抗细胞角蛋白抗体(Sigma),1:1000。为了检测PDX-1、Flag表位和细胞角蛋白,在与封闭血清孵育之前,在柠檬酸盐缓冲液(pH 6.0)中在95°C下微波处理贴装切片20分钟,以获取抗原。

补充材料中提供了其他信息。

致谢

我们感谢Y.Sasaki的技术协助,C.Yokogawa的秘书协助,P.Soriano的ROSA26-lacZ小鼠,以及A.L.Means、D.Boyer、H.Watada和H.A.Popiel对手稿的评论。这项工作得到了日本教育部(Y.Y.)、国际青少年糖尿病研究基金会和日本科学促进会(Y.F.)的部分资助。

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