自然。作者手稿;PMC 2013年1月5日提供。
以最终编辑形式发布为:
预防性维修识别码:PMC3395470型
NIHMSID公司:NIHMS379069
ES细胞效力随内源性逆转录病毒活性波动
,1,2 ,1 ,1 ,1 ,三 ,1 ,4 ,4 ,三和1,*
托德·麦克法兰
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
2美国马里兰州贝塞斯达国家卫生研究院尤妮斯·肯尼迪·施莱弗国家儿童健康与人类发展研究所分化基因组学项目的当前演讲
韦斯利·吉福德
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
肖恩·德里斯科尔
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
Karen Lettieri女士
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
海伦·M·罗
三瑞士洛桑1015洛桑联邦理工学院生命科学学院
达里奥·博纳诺米
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
艾米·弗斯
4索尔克生物研究所遗传学实验室,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
古怪的歌手
4索尔克生物研究所遗传学实验室,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
迪迪埃·特罗诺
三瑞士洛桑1015洛桑联邦理工学院生命科学学院
塞缪尔·普法夫
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
1霍华德·休斯医学研究所,基因表达实验室,索尔克生物研究所,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
2美国马里兰州贝塞斯达国家卫生研究院尤妮斯·肯尼迪·施莱弗国家儿童健康与人类发展研究所分化基因组学项目的当前演讲
三瑞士洛桑1015洛桑联邦理工学院生命科学学院
4索尔克生物研究所遗传学实验室,10010 North Torrey Pines,La Jolla,CA,92037,USA
*联系Sam Pfaff教授:索尔克研究所研究员:霍华德·休斯医学研究所ude.klas@ffafp858-453-4100 x 2018年 - 补充资料
1
GUID:F5012CD5-2637-4787-86AC-EBAC645AFD47
2
GUID:B01849E3-8133-4890-9A3C-53B5E48592B7
三。
指南:E6E3643B-C048-42E2-A697-0C29DE3403CB
4
指南:C215A689-9D49-4D66-9249-012A23371DF5
总结
胚胎干细胞(ES)来源于胚泡期胚胎,被认为在功能上等同于内部细胞团,内部细胞团缺乏产生所有胚外组织的能力。在这里,我们报道了在小鼠ES和诱导多能干(iPS)细胞培养物中发现的一种罕见的瞬时细胞群的鉴定,该细胞群表达在两个细胞(2C)胚胎中发现的高水平转录物,其中卵裂球是全能的。我们对这些2C-like ES细胞进行了基因标记,表明它们缺乏ICM多能性蛋白Oct4、Sox2和Nanog,并且已经获得了对胚胎和胚外组织都有贡献的能力。我们发现,几乎所有ES细胞都在这种特权状态下循环,我们发现这种特权状态部分由组蛋白修饰酶控制。转录组测序和生物信息学分析表明,大量的2C转录子是从小鼠内源性逆转录病毒的长末端重复序列中启动的,表明这种外源序列有助于推动胎盘哺乳动物的细胞命运调控。
合子及其子细胞具有全能性,因为它们能够发育成所有胚胎和胚外细胞类型1,2。当这些前两个子细胞激活不同的基因表达模式,首先将其导向三个广泛谱系之一:Oct4/Sox2/Nanog时,其子代的命运逐渐受到限制+产生胚胎的外胚层细胞,Gata4/6+形成包裹胚胎的胚外膜的原始内胚层细胞,以及Cdx2+构成胎盘大部分的滋养层细胞三这些早期细胞命运的决定代表了哺乳动物进化的一个重大且相对较新的进展,其中支持胎儿宫内营养的胎盘和胚胎外组织允许在出生前进一步发展。合子的表观遗传景观在第一次细胞分裂期间发生显著变化。受精后不久,卵母细胞母细胞转录物被通过激活合子基因组转录产生的新合成RNA所取代4——6合子及其子细胞的独特转录谱定义了细胞全能的短暂时期。
小鼠ES细胞是从胚泡的内细胞团(ICM)中分离出来的,这些胚泡已经成为滋养层的一个独立谱系7,8ICM衍生的ES细胞被视为多能干细胞,因为它们具有生成胎儿组织的能力,但在胚胎外组织定植方面效率极低9胚胎干细胞对胚外组织的罕见贡献可以解释为胚胎干细胞培养物被滋养层或原始内胚层提交细胞污染,也可以解释为罕见的胚胎干细胞获得了除胚胎组织外生成胚外组织能力。后一种可能性很有趣,因为最近的证据表明ES培养物是亚稳细胞的异质混合物,基因表达波动,如Zscan4公司,斯特拉,纳克,Sox17系列和Gata6公司,可以解释单个细胞的特殊属性10——14.
合子基因组首次转录时,会表达大量的逆转录转座子,包括内源性逆转录病毒(ERV)、LINE-1元件和非自主SINE元件15在2C期,MuERV-L/MERVL逆转录病毒样元件瞬时失表达,产生3%的转录mRNA15——17在2C期后,MERVL-retroelement表达沉默18,19我们发现,MERVL表达的这种调控模式与100多个2C以上的特异性基因重叠,这些基因与这些外来逆转录病毒的调控元件共同作用以启动其转录。我们利用这些2C病毒衍生启动子的调节活性来标记细胞,发现ES和iPS培养物中都含有少量但相对恒定的进入2C转录状态的细胞。这些2C样细胞的纯化表明,它们具有独特的发育特征,并能有效地为胚外和胚胎谱系产生后代。
ES培养物中类2C状态的鉴定
为了鉴定合子激活基因,我们对小鼠卵母细胞和2C期胚胎进行了深入的RNA测序。通过对这些细胞中转录物的比较,确定了大量在2C胚胎中表达的基因和反转录转座子,以及大量下调的转录物(,补充表1). 最活跃的重复序列是逆转录病毒MERVL家族及其相应的长末端重复序列(LTR)启动子(Mt2_mm),其激活倍数超过300倍(补充表1). 序列比对显示,近700份MERVL元件中超过25%被激活,307个基因产生了与MERVL元素连接的嵌合转录物(,补充表2),包括之前描述的10个15在生成的626个嵌合转录物中,>90%是产生开放阅读框(ORF)的5’LTR-外显子融合,表明这些LTR已成为蛋白质编码基因的功能启动子(,补充图1a). 代表这些嵌合蛋白的最丰富的基因本体分类是转录调控、离子结合、翻译、核苷酸结合和mRNA转运(). 利用MERVL-LTR交替启动子的两个显著转录因子是Gata4公司和撕裂4,分别是原始内胚层和滋养层的重要规范因素20——22.
MERVL逆转录病毒及其LTR驱动的一名记者标志着2C状态a、,卵母细胞与2C胚胎基因表达的比较。产生MERVL连接的基因显示为红色/绿色,红色的基因表示表达发生显著变化。b、,预测的MERVL连锁嵌合转录物的ORF状态。c、,MERVL相关蛋白编码转录物的GO分析。显示了来自10个最丰富GO类别的基因数量。d-e、,将2C(d)和囊胚(e)混合,并用MERVL-Gag和Oct4抗体进行免疫染色。比例尺20μm。f、,Zygote注射了2C::番茄转基因,并允许发育在体外成像前48小时。比例尺50μm。克,2C::番茄+免疫荧光检测ES细胞表达MERVL-Gag蛋白。比例尺50μm。小时,微阵列分析2C::番茄+与。负极细胞。红色表示基因的表达变化超过4倍。我,2C::番茄+/MERVL-Gag公司+通过免疫荧光测定,ES细胞和iPS细胞缺乏Oct4蛋白。标尺20μm
由于近700份MERVL内源性逆转录病毒中有300多份仍编码Gag病毒蛋白,我们对2C和早期囊胚胚胎进行染色,以确认病毒Gag是表达和发育调控的。我们发现2C胚胎表达Gag但缺乏多能性标记Oct4,而囊胚细胞缺乏Gag但表达Oct4(). 因此,MERVL的活性受到发育调控,许多细胞基因都选择了这些逆转录病毒启动子来严格控制其表达。
接下来,我们询问是否可以使用MERVL元件的调控序列来标记2C细胞。我们克隆了MERVL 5'LTR、引物结合位点和Gag基因上游的一部分串联型荧光报告基因(2摄氏度∷番茄). 我们给受精卵注射了2摄氏度∷番茄番茄培养过程中表达的构建与监测在体外番茄的表达在停滞的合子和2C胚胎中最高,并在桑椹胚期下调(,补充电影1). 有趣的是,当我们介绍2摄氏度∷番茄构建成ES细胞并选择克隆稳定的整合子,我们发现在缺乏报告基因表达的细胞中,有几个克隆含有1–5个用番茄强烈标记的细胞(). 重要的是,我们还发现罕见的ES细胞表达MERVL mRNA和Gag蛋白,这些与2摄氏度∷番茄+单元格(,补充图1b–c). The correspondence between the2摄氏度∷番茄通过免疫印迹和EM成像进一步证实了MERVL在番茄内质网内编码的病毒ε颗粒+细胞而不是番茄负极单元格(补充图1d,e). 因此MERVL表达式受到限制体内到1-4C胚胎,并在一小群来自囊胚的ES细胞中重新激活。
描述意外情况2摄氏度∷番茄-ES培养物中的标记细胞我们将番茄分类+和番茄负极并进行微阵列和mRNA序列分析(,补充表3-5). 番茄+细胞表达的MERVL转录水平是番茄的55倍负极但绝大多数其他反转录转座子未受影响(补充表3). 引人注目的是,番茄+与番茄相比,细胞有165个转录物激活4倍以上,零个基因被抑制4倍以上负极单元格(,补充表4,补充图2a-f). 在番茄中高度富集的基因中+细胞,其中一些细胞以前被证明仅限于2-4C发育阶段,包括Zscan4公司,Tcstv1/3型,Eif1a公司,Tho4号机组(Gm4340型)Tdpoz(吨/盎司)、和兹夫普35223——25共有525个基因在2摄氏度∷番茄+细胞也是在2C期激活的基因,包括52个产生与MERVL元件相关的嵌合转录物的基因(补充表6-7).
ICM和ES细胞的一个特征是其Oct4、Sox2和Nanog的表达,而全能2C胚胎不表达Oct4(). 我们发现了2摄氏度∷番茄+ES培养物中的细胞也缺乏Oct4、Sox2和Nanog(,补充图1f). Oct4、Sox2和Nanog蛋白标记减少,尽管它们的mRNA水平发生了变化,表明调控是在转录后发生的(,补充图2g). 总之,2摄氏度∷番茄标记一组与2C胚胎具有转录和蛋白质组特征的ES细胞,并显示出与培养的大多数ES细胞截然不同的多能性标记模式。
ES细胞在2C状态下循环
我们考虑了以下可能性:2摄氏度∷番茄ES培养物中散发细胞中的报告蛋白和MERVL-Gag蛋白可能是由滋养层或原始内胚层污染引起的。为了排除这种可能性,我们检测了来自小鼠成纤维细胞的诱导多能干细胞(iPS),因为它们不应受到胚泡胚胎细胞的污染。与ES细胞类似,我们发现散发的iPS细胞表达MERVL-Gag蛋白,但缺乏Oct4(). 因此,ES培养物中的异质性是与iPS培养物共有的特性,不太可能由细胞污染物引起。
接下来,我们检查了2摄氏度∷番茄+细胞代表一个稳定的细胞群,或者ES细胞是否进入或退出这种2C样状态。我们利用Cre-LoxP命运定位策略对表达2C基因的细胞进行不可磨灭的标记(补充图3a–c). 我们利用MERVL调节元件驱动三苯氧胺诱导的Cre重组酶的表达,建立了转基因小鼠系(2摄氏度∷ERT2核心ERT2,补充图3a). 然后将这些小鼠与Cre应答报告系交配(ROSA公司∷LSL番茄和ROSA公司∷LSL-LacZ公司,补充图3b). ES细胞系来源于双阳性转基因囊胚(补充图3c). 在ES培养基中加入4羟基三苯氧胺(4OHT)后,我们检测到MERVL-Gag中的核Cre表达+单元格(补充图3d). 当ES培养物用4OHT培养2-6天时,我们发现报告阳性细胞的百分比稳步增加(). 值得注意的是,几乎每一个ES细胞都通过超长的通道激活了报告者(),表明ES细胞有规律地进入这种瞬态。
2C表观遗传状态是短暂的,在ES培养的大多数细胞中,随着传代的增加,2C表生状态被激活,并受细胞内外因素控制a、,,FACS分析2C::ERT2-Cre-ERT2,ROSA LSL::番茄在4OHT存在下,ES细胞的传代增加。番茄的百分比+显示单元格。b、,2C::ERT2-Cre-ERT2,LSL::LacZES细胞在4OHT存在下培养,在增加传代时,细胞被固定,用抗β-半乳糖苷酶抗体进行免疫染色,并用DAPI进行复染。比例尺50μm。c、,2C::番茄+和负极48小时后,在成像前用流式细胞仪收集细胞并进行电镀。比例尺50μm。日期:,2C::番茄ES细胞在20%O中培养2(常氧)或5%O2(缺氧),以及番茄的百分比+细胞经流式细胞仪检测。误差线代表s.d.,n=3e、,2C::番茄将指定传代的ES细胞在含有15%胎牛血清(FCS)、20%敲除血清替代物(KOSR)或含有3mM GSK3β和MEK抑制剂(2i)的N2B27培养基中培养48小时,然后计算细胞百分率2C::番茄+FACS的单元格。误差线表示s.d.,n=3。
监测2摄氏度∷番茄+和负极我们用流式细胞术收集番茄细胞+和番茄负极细胞。当培养这些纯化的亚群时,我们发现番茄+番茄细胞生产负极单元格,反之亦然(). 24小时内,约50%的番茄+细胞转化为番茄负极,与两个细胞群的起始百分比无关(和数据未显示)。低氧条件下(5%O2),表达2摄氏度∷番茄报告基因减少,这可以通过将培养物移回20%O来逆转2(). 我们还发现,在48小时“基态”介质条件下(2i-media26)减少但没有消除番茄的存在+细胞相对于含有敲除血清置换(KOSR)的培养基,表明外源和内在机制调节MERVL/2C基因网络().
组蛋白修饰调节2C-ES开关
在小鼠发育过程中合子基因组激活后,组蛋白脱乙酰化和组蛋白H1合成导致抑制性染色质的形成,这被认为限制了2C胚胎中存在的广泛转录模式27,28.使用间接免疫荧光法,我们发现番茄+细胞的活性组蛋白标记水平明显较高,包括组蛋白3赖氨酸4(H3 K4)的甲基化和H3和H4的乙酰化(补充图4a),一项通过分类细胞群的免疫印迹分析证实的发现(). 这种染色质镜出现在两个细胞胚胎中28接下来我们测试了番茄是否+与未标记的ES细胞相比,这些细胞的DNA甲基化水平不同。我们发现番茄中的MERVL序列发生了低甲基化+细胞与番茄的比较负极细胞。与MERVL序列相反,IAP逆转录病毒在两个番茄中都高度甲基化+和番茄负极表明甲基化模式改变的细胞在基因组中并不一致(补充图4b). 总之,这些数据表明,当ES细胞(再)进入2C状态时,它们的染色质和DNA会发生改变,以有利于转录的方式反映出双细胞胚胎。
2C状态与活跃的表观遗传特征相关,并被抑制性染色质修饰酶拮抗a、,2C::番茄+和负极通过FACS收集细胞,并使用指示的抗体进行免疫印迹分析。b、,激活基因数量的成对比较卡普1,G9a公司、和丹麦马克1a突变的ES细胞与2C胚胎中激活的基因进行比较。c、,突变等位基因纯合的ES细胞系丹麦马克1a,卡普1、和G9a公司用MERVL-Gag抗体对相应的野生型ES株进行免疫染色,并用DAPI进行复染。比例尺50μm。日期:,2C::番茄ES细胞在成像前用40nM TSA处理24小时。比例尺50μm。e、,丹麦马克1aFl/Fl,Cre-ERT ES细胞包含稳定整合的2C::番茄用载体或4OHT处理转基因,并用FACS计数番茄的百分比+细胞。f中,2C::番茄;丹麦马克1aFl/Fl,Cre:ERT ES细胞用4OHT或载体处理24小时,然后传代72小时,然后用FACS收集番茄阴性细胞。番茄的百分比+在培养时间增加后绘制细胞图。误差线表示s.d.,n=3。
我们之前证明,在没有组蛋白赖氨酸特异性去甲基化酶的情况下,MERVL和2C特异性基因增加Lsd1/Kdm1a29为了测试其他前病毒共抑制因子和组蛋白修饰酶是否也影响这些基因,我们分析了KRAB盒相关转录抑制因子中纯合突变ES细胞的转录组卡普1组蛋白H3 K9甲基转移酶G9a公司29——31我们发现MERVL和一些2C基因在丹麦马克1a,卡普1、和G9a公司突变ES细胞(,补充图5b–c,补充表7). 这些发现通过使用就地杂交和免疫荧光显微镜(,补充图5d). 治疗2摄氏度∷番茄组蛋白脱乙酰酶抑制剂TSA的ES系也增加了番茄的数量+单元格四倍(). 为了更好地理解染色质阻遏物被剧烈消除时2C基因调控是如何被控制的,我们利用了一个稳定的整合2摄氏度∷番茄ES系是纯合子的floxed等位基因丹麦马克1a并含有一个可被4OHT激活的Cre-ERT转基因。删除后24小时内丹麦马克1a我们发现番茄的含量增加了十倍+稳定维护的细胞(). 此外,FACS纯化番茄负极细胞更快地变成番茄+在没有丹麦马克1a(),并在此状态下停留更长时间(补充影片2–3). 这些发现表明,Kdm1a、Kap1、G9a和组蛋白去乙酰化酶都有助于抑制ES细胞中的2C基因,并且它们通过改变细胞间的平衡来发挥作用2摄氏度∷番茄+和负极州。
2C样ES细胞具有更大的命运潜能
由于ES培养物中的2C样细胞表达全能性卵裂球中发现的高水平2C限制性基因,并且多能性相关蛋白水平降低,我们推断ES细胞的这一亚群可能具有不同的功能特征。我们测试了2摄氏度∷番茄+细胞已经获得了产生胚胎外组织的能力,而胚胎干细胞缺乏这种能力。我们用FACS收集番茄+和番茄负极来自的单元格2摄氏度∷番茄ES系并将四个细胞注入桑椹胚期胚胎。西红柿负极分析的所有5个嵌合体囊胚的ICM都是由专门参与ICM的细胞构成的(). 相反,西红柿+除了ICM(在5个嵌合胚胎中的3个)外,滋养层细胞(在5个中的4个嵌合胚中)也是由细胞组成的(). 追踪2C番茄的命运+胚胎干细胞发育后期,我们将囊胚注入番茄+或者番茄负极预先感染由组成活性Ef1a启动子编码GFP的慢病毒的细胞(Ef1a公司∷GFP公司). 番茄负极/GFP公司+细胞只对胚胎组织有贡献,而番茄+/GFP公司+细胞参与胚胎内胚层、外胚层、中胚层、生殖谱系以及卵黄囊和胎盘(,补充图6a–b). 番茄的胚外贡献+/GFP公司+细胞包括胎盘的滋养层巨细胞(). 因此2摄氏度∷番茄+细胞包括胚胎组织和胚外组织,而培养的大多数ES细胞仅限于产生胚胎细胞类型。
2C状态的激活与嵌合体胚胎向胚外谱系的潜能扩大有关a、,2C::番茄+或2C::番茄负极将CMV::GFP ES细胞注射到桑椹期胚胎中,然后进行生长在体外对所产生的囊胚进行成像,以可视化注射细胞在滋养层(TE)或ICM中的位置。比例尺20μm。b、,2C::番茄+或2C::番茄负极,Ef1a::GFP+将细胞注射到囊胚中,然后将其植入假孕雌性体内,以生成嵌合体胚胎。箭头表示2C::番茄+、GFP+卵黄囊和胎盘的细胞。c、,2C::番茄+,Ef1a::GFP+细胞有助于胚胎内胚层、中胚层、外胚层、卵黄囊、胎盘组织(包括滋养层巨细胞-白色箭头)和原始生殖细胞(PGC,用红色、蓝色箭头标记的抗Ddx4抗体)。比例尺表示500uM(内胚层、中胚层、外胚层、卵黄囊)或50um(胎盘和PGC)。日期:,杂合(+/GT)或纯合(GT/GT)丹麦马克1a-将geo-genetrap ES细胞注射到野生型囊胚中,将其植入假孕雌性体内。从嵌合体胚胎中分离出胚胎(E)和胚外(X)组织,并使用地缘引物进行半定量PCR,以确定注入细胞对这些谱系的相对贡献。误差条代表标准误差。e、,1:1的混合物丹麦马克1a将Fl/Fl和KO/KO ES细胞联合注入野生型囊胚。在E12.5,从胎盘(P)、卵黄囊(Y)和羊膜(A)分离嵌合体胚胎组织(E),并进行PCR,以检测注射细胞相对于常驻注射胚胎WT等位基因的FL和KO等位。F、,丹麦马克1a燃气轮机/燃气轮机,Ef1a::GFP+细胞有助于胚胎内胚层、中胚层、外胚层、卵黄囊、胎盘组织(包括滋养层巨细胞-白色箭头)和原始生殖细胞(PGC,用红色、蓝色箭头标记的抗Ddx4抗体)。比例尺表示500uM(内胚层、中胚层、外胚层、卵黄囊)或50um(胎盘和PGC)。
接下来我们检查了丹麦马克1a突变ES系,包含更高频率的2摄氏度∷番茄+在小鼠嵌合体分析中,细胞的效力也有所提高。正如预期,丹麦马克1a杂合子ES细胞只对胚胎组织有贡献(在5/5嵌合体胚胎中),但从未对胚外组织有贡献(). 相反,丹麦马克1a纯合突变型ES细胞同时产生胚胎(4/6嵌合胚胎)和胚外组织(5/6嵌合胚)(). 确认丹麦马克1a突变ES细胞,我们使用竞争嵌合体分析。我们共同注射了1:1的丹麦马克1aFl/Fl和KO/KO ES细胞分化成5个野生型胚泡。然后用PCR检测丹麦马克1a解剖组织中的Fl/Fl或KO/KO细胞。我们检测到丹麦马克1a胚胎组织和羊膜中的Fl/Fl ES细胞,但卵黄囊或胎盘中没有(). 相反,丹麦马克1a突变的ES细胞有助于胚胎组织、羊膜、卵黄囊和胎盘组织,包括滋养层巨细胞和PGC(). 因此,通过去除丹麦马克1a与命运潜能的扩大有关。
我们已经证明了这一点2C:番茄+ES培养物中的细胞具有更强的效力,但尚不清楚进入这种状态是否对其长期多能性至关重要。为了测试这种可能性,我们用白喉毒素(DTA)进行基因消融,连续去除2C样ES细胞。我们通过交叉生成ES线2摄氏度∷ERT2核心ERT2老鼠(补充图3a)带有Cre应答DTA等位基因(ROSA公司∷LSL-DTA公司)用4OHT处理ES线20次(补充图7a). 我们发现这些2C-缺失ES培养物仍然能够产生高贡献嵌合体(补充图7b)尽管它们的分化偏向于中胚层和外胚层谱系在体外(补充图7c). 这些数据表明,偶尔进入2C样状态可能有助于保持ES细胞广泛的胚胎命运潜能。
讨论
在哺乳动物的发育过程中,合子及其子代细胞从能够产生整只小鼠的全能细胞发展到桑椹胚的更具谱系限制的内部和外部细胞,分别能够产生胚胎谱系或胚胎外谱系。全能细胞的一个关键转录特征是合子基因组开始激活,胚胎从母体转录组转换为合子转录组。为了标记胚胎发育早期阶段的细胞,我们利用内源性逆转录病毒MERVL的调节元件生成了一份报告,该病毒高度限制在合子/2C阶段。令人惊讶的是,我们发现罕见的ES和iPS细胞表达了该报告人。当我们对这些细胞进行特征分析时,我们发现它们缺乏多能性蛋白Oct4、Sox2和Nanog的表达。相反,这些罕见的细胞表达了大量限制在2C期的基因,最重要的是,它们能够形成胚胎和胚外谱系(). 我们的研究在ES培养物中发现了一种罕见的2C样细胞,它具有扩大的命运潜力。
MERVL-LTR连接的2C基因网络在调节胚胎潜能中的作用模型a、,在合子基因组激活过程中,利用MERVL-LTR作为启动子的基因网络被激活。这一阶段与卵裂球全能期相关。随着发育的进展,当ICM与TE和PrE分离时,MERVL-LTR连接的2C基因网络被染色质阻遏物沉默。b、,在胚胎干细胞从囊胚中分化出来的过程中,一种罕见的暂时性细胞群被标记为2C::番茄报告者表达高水平的2C基因和低水平的多能性标记。在小鼠嵌合体分析中,这些细胞有助于胚胎和胚外组织(以绿色显示)。增加ES培养物的氧化张力或抑制组蛋白修饰酶的缺失/抑制会改变2C和ES状态之间的平衡。
虽然还不清楚MERVL和其他2C基因是如何调节效力的,但一些证据表明,2C样细胞是ES培养物健康和维持所必需的。首先,我们发现随着传代的增加,几乎所有细胞都进入2C样状态。其次,当我们从细胞培养物中去除2C-like ES细胞时,我们发现它们的分化特征发生了改变,产生了更多的外胚层和中胚层衍生物。第三,功能研究Zscan4公司该基因与全长MERVL元件相邻,在2C|番茄+细胞,表明它是ES培养物中维持端粒所必需的1414另一个仍然存在的重要问题是,这些特殊ES细胞的选择是否可以用于实际目的,例如重新编程体细胞核。这一观点得到了以下发现的支持:2C基因在克隆胚胎中没有被正确激活,组蛋白脱乙酰化酶和Kdm1a的抑制可以提高重编程效率,后者抑制2C状态32,33,34因此,一个或多个MERVL连锁2C基因的过度表达或其他2C-基因阻遏物的抑制可能是促进重编程的有用策略。最近的研究结果支持了这种可能性,即成纤维细胞中强制表达Zscan4可以提高其iPS重编程效率35.
转座因子是进化的主要驱动力。我们的发现支持了这样的观点,即细胞基因对逆转录转座子元件的协同作用可以作为协调连接许多基因表达的进化机制15,29,36最近研究表明,转座子序列在胚胎干细胞和子宫内膜的基因调控网络重组中起着关键作用,而这些基因调控网络对哺乳动物妊娠的进化起着重要作用37,38也有人推测,ERV通过提供适合合胞体滋养层细胞形成的融合包膜基因,在胎盘的进化中发挥作用39我们认为ERVL元素存在于所有胎盘哺乳动物中40,可能在哺乳动物早期发育中发挥了同样重要的基因调控作用,通过促进细胞类型的规范化和导致胎盘组织的形成。
方法总结
2C|番茄通过消化MERVL LTR-Gag克隆#9而产生29与MluI和HindIII,产生MERVL LTR 1-730,并在去除CMV启动子的情况下连接到pcDNA3湿番茄。为了产生2C|番茄ES细胞,丹麦马克1a飞行/飞行;Cre:ERT ES细胞转染2CŞ番茄使用Lipofectamine 2000(Invitrogen)和150ug/ml潮霉素筛选7天。含有番茄的菌落+然后挑选细胞并使其扩增。2C|ERT2-Cre-ERT2通过使用EcoR1和Not1位点用ERT2-Cre-ERT2插入物代替tdtomato而产生。将DNA与Mlu1和AvrII位点线性化,然后注射到胚胎中生成转基因小鼠。结果小鼠与ROSA|LSL-番茄小鼠(JAX 007905),ROSA|LSL-DTA鼠标(JAX 010527),或ROSALSL-LacZ小鼠(安德森实验室的礼物)和ES系是使用标准程序衍生的。丹麦马克1a燃气轮机/燃气轮机,丹麦马克1aFl/Fl、KAP1 ES3 Cre和G9A TT2 ES细胞如前所述29——31在使用Tru-Seq RNA样品制备试剂盒(Illumina)构建文库之前,通过在Prelude直接裂解缓冲液(Nugen)中裂解一窝胚胎(5-10个胚胎)并使用Ovation RNA-Seq系统(Nugen)扩增RNA,从卵母细胞和2C胚胎中提取RNA-Seq。按照说明进行微阵列、QRT-PCR、免疫染色和嵌合体小鼠注射29.我们根据索尔克研究所的IACUC指南进行的所有动物实验。
完整的方法
RNA-Seq号
为了对早期胚胎进行RNA-Seq分析,收集了三窝独立的超排卵母细胞或自然受精的超排卵子,并直接在2 ul Prelude直接裂解缓冲液(Nugen)中进行裂解。然后使用Ovation RNA-Seq系统(Nugen)对RNA进行扩增。使用Covaris对扩增的cDNA进行片段化,然后使用mRNA-Seq样品制备试剂盒(Illumina)或Tru-Seq RNA文库构建试剂盒(Isllumina)从末端修复开始构建单端(卵母细胞)或配对端(2C胚胎)文库。在Illumina基因组分析仪(卵母细胞)或Hi-Seq(2C胚胎)上进行测序。使用Bowtie将72 bp的单端读取(卵母细胞)或100 bp的配对读取(2C胚胎)与小鼠基因组对齐,每次对齐最多允许三次不匹配,每次读取最多允许20次对齐,过滤掉20多个位置的任何读取对齐。为了将卵母细胞数据与2C数据进行比较,读取长度被缩短至72 bp(从3'端开始)。卵母细胞数据平均每个样本有3300万个比对,而2C数据平均每个样品有4900万个比对。使用基于UCSC Knowngene参考的自定义基因参考量化读取计数。在每个基因位点,属于单个基因的所有亚型被融合到一个包含每个亚型所有外显子的转录本中。在多个位置对齐的计数被视为每个位置对齐总数的一部分。用DESeq进行差异表达测试41调整后的p值小于0.05的基因标记为显著。利用Tophat产生的拼接比对数据鉴定嵌合转录本。Tophat根据排列堆积来识别外显子,然后通过潜在的剪接接合点对齐之前未对齐的读数。我们将连接信息分为两个列表,即每个连接的左侧和右侧,并将其与UCSC已知的mm9基因数据库和RepeatMasker数据库(也来自UCSC的数据库)进行比较。只有一端与已知模型外显子相连,另一端与重复元件相连的连接才得以保留。使用David Bioinformatic Resource进行GO分析(http://david.abcc.ncifcrf.gov/)42.
对于的RNA-Seq2CŞ番茄+和负极细胞,Kdm1a型KO ES细胞,卡普1KO ES电池,以及G9a公司KO ES细胞,使用mRNA-Seq样品制备试剂盒(Illumina)或Tru-Seq RNA文库构建试剂盒从500-5ug总RNA制备样品库。使用聚类生成试剂盒(Illumina)在流动细胞上扩增文库样本,然后使用基因组分析仪(Illum ia)上的连续36个周期测序试剂盒或Hi-Seq(Illumina)上的100bp配对末端读取进行测序。然后使用短读比对器Bowtie和默认设置(每25 bp 2个不匹配,最多40个基因组比对)将原始序列数据与小鼠基因组进行比对(http://bowtie-bio.sourceforge.net/index.shtml). RPKM值也由Bowtie确定。对于重复序列,我们使用Bowtie将测序读取与Repbase数据库对齐(http://www.girinst.org/repbase/index.html). 如上所述,使用DESeq测定差异表达。比较中的基因表达G9a、Kdm1a、和卡普1突变的ES细胞,我们通过结合先前确定的上调基因来确定上调基因(29——31)和我们自己的DESeq分析。
ES文化和2C|番茄和2C|ERT2-Cre-ERT2ES线
The derivation and culture of丹麦马克1aGT/GT、Fl/Fl和Fl/Fl、Cre-ERT ES细胞如前所述29. The2C|番茄通过用MluI和HindIII消化pGL3 basic中的MERVL LTR-Gag克隆#9,生成MERVL LTR 1-730,构建构建物,并连接到用Mlu1和HindII消化的pcDNA3湿番茄中(去除CMV启动子)。要生成2C|番茄ES细胞,丹麦马克1a飞行/飞行;Cre:ERT2 ES细胞转染2CŞ番茄使用Lipofectamine 2000(Invitrogen)和150ug/ml潮霉素筛选7天。然后挑选并扩大含有番茄阳性细胞的菌落。2CŞ番茄ES细胞也来源于通过原核注射产生的转基因小鼠2C|番茄ES线。2C|ERT2-Cre-ERT2通过使用EcoR1和Not1位点将td番茄替换为ERT2-Cre-ERT2插入物生成。将DNA与Mlu1和AvrII位点线性化,然后注射到胚胎中生成转基因小鼠。结果小鼠与ROSA|LSL-番茄小鼠(JAX 007905),ROSA|LSL-DTA鼠标(JAX 010527),或ROSALSL-LacZ小鼠(安德森实验室的礼物)和ES系是使用标准程序衍生的。
KAP1 ES3Cre和G9A TT2 ES细胞如前所述30,31。要重新组合和删除Kdm1a、KAP1、和G9A公司等位基因漂浮后,用1uM 4OHT处理细胞24小时。然后在至少48小时后收获细胞,以允许残余蛋白质的损失。要激活2C|ERT2-Cre-ERT2转基因后,细胞保存在1uM 4OHT中,每天喂食。使用FACScan对2C番茄阳性和阴性细胞进行计数,并使用FACSDiVA进行分类。对于分化分析,ES细胞在无Lif的悬浮液中生长,如前所述29.
免疫荧光染色和显微镜检查
将ES细胞和iPS细胞涂敷在PMEF上的涂胶玻璃盖玻片上。细胞用4%PFA固定10分钟,然后用PBS-T(0.05%吐温)洗涤。然后将细胞在含有3%BSA的PBS-T中封闭10分钟,并在室温下用一级抗体染色1小时。使用的抗体:小鼠抗KAP1(Abcam),1:1000;小鼠抗OCT3/4,Santa Cruz sc-5279,兔抗MERVL-GAG,海德曼实验室赠品,1:2000;大鼠抗E-Caddherin,Abcam ab11512,1:500,兔抗泛乙酰化组蛋白H3,Upstate#06-599,1:1000;兔抗泛乙酰基H4,上游#06-598,1:1000;和兔抗H3 DiMeK4,克隆AW30,Abcam,1:1000。用PBST洗涤3次10分钟后,在室温下用二级抗体(1:1000抗小鼠、大鼠或兔IgG Alexa fluor 488、555或647)对细胞进行染色1小时,然后用PBS-T再次洗涤3次。盖玻片在PBS中用DAPI染色5分钟,然后倒置到载玻片上。然后使用奥林巴斯FV1000共焦显微镜和60倍油物镜或蔡司Axioskop 2表观荧光显微镜和40倍物镜对细胞成像。用Fluoview定量组蛋白染色。按照描述对植入前的胚胎进行染色,并稍作修改。胚胎在4%PFA中固定30分钟,并在0.25%Triton中渗透20分钟,然后在10%FBS中在0.1%Triton-PBS中封闭1小时。在封闭缓冲液中在4℃下培养一级抗体过夜。随后的洗涤和二次抗体培养在室温下的0.1%Triton-PBS中进行。
原位杂交
利用正向引物5‘ccatcctcattgtca 3’和反向引物5’ccttccccttgatt 3’从小鼠ES cDNA中PCR生成MERVL探针,并克隆到PCR2.1 TOPO载体中。使用T7聚合酶的体外转录制备DIG标记的探针。ES样品固定在4%PFA中,用蛋白酶K消化2分钟,用PBS洗涤,乙酰化,并用变性探针在68度下杂交过夜。用5×SSC和0.2×SSC洗涤后,使用与碱性磷酸酶偶联的抗DIG抗体观察DIG标记探针。
免疫印迹法
通过将ES细胞以200×g制成丸,并在1:5体积的含有10mM Tris、150mM NaCl和1×蛋白酶抑制剂的1%NP40裂解缓冲液中再悬浮,制备全细胞提取物。为了溶解组蛋白,还使用生物破坏者在高置条件下对提取物进行10分钟的超声处理。然后将LDS样品缓冲液(Invitrogen)中的总蛋白10–50ug加载到4–12%NuPage凝胶(Invit罗gen)上,在200V下电泳60分钟,并在30V下转移到硝化纤维素膜上90分钟。在含有5%脱脂奶粉的PBS-T中封闭膜。初级抗体在4度下孵育过夜。使用的抗体:兔抗GAPDH,Santa Cruz sc25-778,1:1000,兔和MERVL-GAG,Heidmann实验室赠品,1:1000;抗Pan AcH3,Upstate#06-599,1:1000;anti-Pan AcH4,上游#06-598,1:1000;抗H3 DiMeK4克隆AW30,Abcam,1:500;抗H4,Novus ab10158,1:1000;抗H3,Novus,NB 500–171,1:500。用PBS-T广泛洗涤后,在室温下培养二级抗体(抗兔或鼠HRP结合物,1:10000稀释)一小时。在用PBS-T和水进行广泛清洗后,使用ECL plus检测系统(Amersham)开发了印迹。
亚硫酸氢盐测序
ES细胞在含有蛋白酶K(Roche)的尾部裂解缓冲液(0.1M Tris pH8.5,5mM EDTA,0.2%SDS,0.2M NaCl)中在55℃下裂解1小时,然后在37℃下用无DNase RNase处理30分钟。然后用Qiagen PCR纯化柱对DNA进行简单的超声处理和纯化。使用Epitect亚硫酸氢盐试剂盒(Qiagen)进行基因组DNA的亚硫酸氢转换。然后使用Accuprime Taq聚合酶(Invitrogen)对亚硫酸氢盐转化的DNA进行PCR扩增,然后进行TOPO TA克隆(Invit罗gen)。每个引物对至少有10个克隆被测序(Eton Bio)。引物序列如前所述29.
QRT-PCR
对于QRT-PCR分析,使用Superscript III(Invitrogen)和polydT或随机六聚体引物从高达5ug的总RNA中生成第一链cDNA。使用SYBR绿色主混合液(Applied Biosystems)在96孔培养皿中进行QPCR,一式三份,并用至少两个具有类似结果的生物复制品重复进行。为每对引物生成标准曲线(如前所述29)并绘制表达水平相对于Gapdh公司(以任意单位表示)。
微阵列
总RNA制备自2C::番茄+和负极使用RNEasy工具包(Qiagen)的单元。在与基因芯片小鼠基因1.0 ST阵列杂交之前,使用全转录(WT)感官靶向标记分析试剂盒(Affymetrix)对100 ng总RNA进行标记。在Expression Console(Affymetrix)中使用稳健多芯片分析(RMA)准备探针集归一化和汇总。
小鼠嵌合体分析
将ES细胞注射到E2.5或E3.5 C57Bl/6J胚胎中,并在体外培养或植入假妊娠雌性中。为了进行PCR分析,将切下的组织置于含有蛋白酶K的裂解缓冲液中(1%十二烷基硫酸钠,150mM氯化钠,10mM TriS pH8.0,1mM EDTA pH 8.0),在55℃下过夜。然后通过苯酚-氯仿萃取和乙醇沉淀分离DNA,然后用设计用于扩增DNA的引物进行PCR分析贝塔吉奥盒式磁带或野生型丹麦马克1afoxed等位基因。为了进行胚胎成像,在E9.5和E12.5之间采集嵌合体小鼠,用4%PFA固定2小时,在PBS中彻底清洗过夜,在30%蔗糖中孵育4小时,然后在OCT中冷冻在干冰上。然后取冰冻切片,并在成像前用DAPI染色。
致谢
我们感谢Pfaff实验室成员的讨论;Shane Andrews、David Chambers、Yelena Dayn、Tung-Chang Sung、James Fitzpatrick、Matthew Joens、Yury Sigal、Daniel Gibbs和Ling Ouyang负责技术援助,Yoichi Shinkai和David Gilbert负责G9a公司突变ES细胞和T.Heidmann检测MERVL-Gag抗体。这项研究得到了国家神经疾病和中风研究所(R37NS037116)和马歇尔传统基金会的支持。T.S.M和W.D.G.得到了CIRM的支持,S.L.P.是霍华德·休斯医学研究所的研究员。
工具书类
1阿拉斯加州塔科夫斯基。小鼠卵子分离胚芽发育的实验。自然。1959;184:1286–1287.[公共医学][谷歌学者] 2Papaioannou VE、Mkandawire J、Biggers JD。遗传相同的半小鼠胚胎的发育和表型变异。发展。1989;106(4):817–827.[公共医学][谷歌学者] 三。Cockburn K,Rossant J.《胚泡的形成:老鼠的经验教训》。临床投资杂志。2010;120(4):995–1003. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 4Latham KE,Schultz RM。胚胎基因组激活。Front Biosci公司。2001;6:D748–759。[公共医学][谷歌学者] 5Schultz RM。着床前胚胎母体到合子转变的分子基础。Hum Reprod更新。2002;8(4):323–331.[公共医学][谷歌学者] 6Kanka J.着床前胚胎中的基因表达和染色质结构。Theriogenology。2003;59(1):3–19.[公共医学][谷歌学者] 7Evans MJ,Kaufman MH。小鼠胚胎多潜能细胞培养的建立。自然。1981年;292(5819):154–156。[公共医学][谷歌学者] 8Martin GR.从在由畸胎瘤干细胞调节的培养基中培养的早期小鼠胚胎中分离出多能干细胞系。美国国家科学院院刊。1981年;78(12) :7634–7638。 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 9贝丁顿RS,罗伯逊EJ。妊娠中期小鼠胚胎胚胎干细胞发育潜力的评估。发展。1989;105(4):733–737.[公共医学][谷歌学者] 10Niakan KK等。Sox17通过直接调节胚外基因表达和间接拮抗自我更新来促进小鼠胚胎干细胞的分化。基因发育。2010;24(3):312–326. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 11Hayashi K,Lopes SM,Tang F,Surani MA。具有不同功能和表观遗传状态的小鼠多能干细胞的动态平衡和异质性。细胞干细胞。2008;三(4):391–401. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 12Singh AM,Hamazaki T,Hankowski KE,Terada N.Nanog在胚胎干细胞中的异质表达模式。干细胞。2007;25(10):2534–2542.[公共医学][谷歌学者] 13Chambers I等人。Nanog保护多能性并调节生殖系发育。自然。2007;450(7173):1230–1234.[公共医学][谷歌学者] 14Zalzman M等人。Zscan4调节ES细胞中的端粒延伸和基因组稳定性。自然。2010;464(7290):858–863. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 15Peaston AE等。反转录转座子调节小鼠卵母细胞和植入前胚胎中的宿主基因。开发单元。2004;7(4):597–606.[公共医学][谷歌学者] 16Evsikov AV等。2细胞小鼠胚胎的系统生物学。细胞遗传学基因组研究。2004;105(2–4):240–250.[公共医学][谷歌学者] 17Kigami D、Minami N、Takayama H、Imai H。MuERV-L是小鼠单细胞胚胎中最早转录的基因之一。生物再现。2003;68(2):651–654.[公共医学][谷歌学者] 18Svoboda P等人。植入前小鼠胚胎中逆转录转座子MuERV-L和IAP的RNAi和表达。开发生物。2004;269(1):276–285.[公共医学][谷歌学者] 19Ribet D等。小鼠内源性逆转录病毒MuERV-L是早期小鼠胚胎“孤儿”ε病毒样颗粒的祖细胞。《维罗尔杂志》。2008;82(3):1622–1625. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 20Soudais C等。小鼠胚胎干细胞中转录因子GATA-4基因的靶向突变在体外破坏内脏内胚层分化。发展。1995年;121(11):3877–3888.[公共医学][谷歌学者] 21Yagi R等人。转录因子TEAD4规定了哺乳动物发育初期的滋养层谱系。发展。2007;134(21):3827–3836.[公共医学][谷歌学者] 22Nishioka N等,Tead4是植入前小鼠胚胎中滋养层的规范所必需的。机械开发。2008;125(3–4):270–283.[公共医学][谷歌学者] 23Choo KB,Chen HH,Cheng WT,Chang HS,Wang M.植入前胚胎特异性锌指蛋白新基因EST数据库的计算机挖掘。摩尔再现偏差。2001;59(3):249–255.[公共医学][谷歌学者] 24黄希杰、陈CY、陈HH、蔡SF、Choo KB。TDPOZ,一个包含TRAF(TD)和POZ/BTB结构域的二分动植物蛋白家族。基因。2004;324:117–127.[公共医学][谷歌学者] 25Zhang W等人Zfp206调节ES细胞基因表达和分化。核酸研究。2006;34(17):4780–4790. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 27Ma J,Svoboda P,Schultz RM,Stein P.着床前小鼠胚胎中合子基因激活的调节:基因表达的整体激活和抑制。生物再现。2001;64(6):1713–1721.[公共医学][谷歌学者] 28Wiekowski M、Miranda M、Nothias JY、DePamphilis ML。小鼠发育初期组蛋白合成和修饰的变化与染色质介导的转录抑制的建立相关。细胞科学杂志。1997;110(第10部分):1147-1158。[公共医学][谷歌学者] 29Macfarlan TS等。LSD1/KDM1A协同抑制内源性逆转录病毒及其邻近基因。基因发育。2011 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 30Rowe HM等。KAP1控制胚胎干细胞中的内源性逆转录病毒。自然。2010;463(7278):237–240.[公共医学][谷歌学者] 31Yokochi T等,G9a选择性抑制核外周的一类后复制基因。美国国家科学院院刊。2009;106(46):19363–19368. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 32铃木T、Minami N、Kono T、Imai H。在小鼠核移植胚胎中,Zygotical激活的基因受到抑制。克隆干细胞。2006;8(4):295–304.[公共医学][谷歌学者] 33邵国平,等。酪氨酸酶A治疗对克隆小鼠胚胎基因表达的影响。病因学。2009;71(8):1245–1252.[公共医学][谷歌学者] 34Li W,等。在缺乏外源性Sox2的情况下,人诱导多能干细胞的生成。干细胞。2009;27(12):2992–3000. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 35Hirata T等,Zscan4在诱导多能干细胞的生成过程中暂时重新激活早期胚胎基因。科学代表。2012;2:208. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 36Feschotte C.转座元件和调控网络的演变。Nat Rev基因。2008;9(5):397–405. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 37Kunarso G等人。转座元件重新连接了人类胚胎干细胞的核心调控网络。自然遗传学。2010;42(7):631–634.[公共医学][谷歌学者] 38Lynch VJ,Leclerc RD,May G,Wagner GP。转座子介导的基因调控网络的重组对哺乳动物怀孕的进化起到了作用。自然遗传学。2011;43(11):1154–1159.[公共医学][谷歌学者] 39Dupressoir A等。Syncytin-A基因敲除小鼠证明了融合基因、内源性逆转录病毒衍生的包膜基因在胎盘形成中的关键作用。美国国家科学院院刊。2009;106(29):12127–12132. [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 40Benit L,Lallemand JB,Casella JF,Philippe H,Heidmann T.ERV-L元件:一个活跃于哺乳动物进化过程中的内源性逆转录病毒样元件家族。《维罗尔杂志》。1999;73(4) :3301–3308。 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 41Anders S,Huber W.序列计数数据的差异表达分析。基因组生物学。2010;11(10) :R106。 [PMC免费文章][公共医学][谷歌学者] 42Huang da W、Sherman BT、Lempicki RA。利用DAVID生物信息学资源对大基因列表进行系统和综合分析。国家协议。2009;4(1):44–57.[公共医学][谷歌学者]