Разработка экспериментального подхода к репрограммированию праймированных плюрипотентных стволовых клеток человека в наивное состояние

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Плюрипотентные стволовые клетки (ПСК) человека в условиях in vitro находятся в наивном или праймированном состоянии плюрипотентности. Находясь в том или ином состоянии, ПСК имеют различные потенциалы дифференцировки во внезародышевые и зародышевые клетки эмбриона. Наивные ПСК по профилю экспрессии и эпигенетическому паттерну генома сравнимы с клетками внутренней клеточной массы бластоцисты. В то же время, праймированные ПСК по своим характеристикам схожи с клетками постимплантационного эпибласта. Репрограммирование праймированных ПСК в наивное состояние и поддержание этого состояния при культивировании является инструментом для изучения эпигенетических процессов преимлантационного развития эмбриона человека, а также механизмов дифференцировки ПСК в производные зародышевых листков и внезародышевых тканей эмбриона. Целью нашего исследования было репрограммирование праймированных индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) человека в наивное состояние плюрипотентности, а в дальшейшем получение культуры ИПСК, гомогенной по состоянию плюрипотентности. Благодаря разработанному нами протоколу, удалось получить ИПСК, близкие к наивному состоянию. Протокол включает применение ростовых факторов FGF2, TGFβ1 и ингибирования GSK3β и сигнального пути MEK/ERK (2iF среда). При этом обязательна предварительная обработка праймированных ИПСК ингибиторами деацетилазы гистонов (HDACi), которая приводит к измению морфологии клеток и профиля и экспрессии генов ПСК в сторону более раннего состояния плюрипотентности. При обработке праймированных ИПСК НDACi и последующим их культивировании в 2iF среде получили ИПСК, сопоставимые по морфологии колоний и профилю экспрессии генов-маркеров наивного состояния с контрольными наивными ИПСК, полученными в среде RSeT.

Об авторах

В. К. Абдыев

Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: mailtovepa@gmail.com
Россия, 119334, Москва, Вавилова, 26

А. Л. Риппа

Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Email: mailtovepa@gmail.com
Россия, 119334, Москва, Вавилова, 26

Н. А. Аракелян

Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Email: mailtovepa@gmail.com
Россия, 119334, Москва, Вавилова, 26

Е. А. Воротеляк

Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Email: mailtovepa@gmail.com
Россия, 119334, Москва, Вавилова, 26

А. В. Васильев

Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Email: mailtovepa@gmail.com
Россия, 119334, Москва, Вавилова, 26

Список литературы

  1. Ávila-González D., Portillo W., García-López G. et al. Unraveling the spatiotemporal human pluripotency in embryonic development // Front. Cell Dev. Biol. 2021. V. 9. https://doi.org/10.3389/FCELL.2021.676998/BIBTEX
  2. Blakeley P., Fogarty N.M.E., Del Valle I. et al. Defining the three cell lineages of the human blastocyst by single-cell RNA-seq // Development. 2015. V. 142. № 18. P. 3151–3165. https://doi.org/10.1242/dev.123547
  3. Chen H., Aksoy I., Gonnot F. et al. Reinforcement of STAT3 activity reprogrammes human embryonic stem cells to naive-like pluripotency // Nat. Commun. 2015. V. 6. №1. https://doi.org/10.1038/ncomms8095
  4. Chen T., Ueda Y., Xie S., Li E. A Novel Dnmt3a isoform produced from an alternative promoter localizes to euchromatin and its expression correlates with activede covo methylation // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. № 41. P. 38746–38754. https://doi.org/10.1074/JBC.M205312200
  5. Collier A.J., Panula S.P., Schell J.P. et al. Comprehensive cell surface protein profiling identifies specific markers of human naive and primed pluripotent states // Cell Stem Cell. 2017. V. 20. № 6. P. 874–890.e7. https://doi.org/10.1016/J.STEM.2017.02.014
  6. Dahéron L., Opitz S. L., Zaehres H. et al. LIF/STAT3 signaling fails to maintain self-renewal of human embryonic stem cells // Stem Cells. 2004. V. 22. № 5. P. 770–778. https://doi.org/10.1634/stemcells.22-5-770
  7. Evans M.J., Kaufman M.H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos // Nature. 1981. V. 292. № 5819. P. 154–156. https://doi.org/10.1038/292154a0
  8. Gafni O., Weinberger L., Mansour A.A. et al. Derivation of novel human ground state naive pluripotent stem cells // Nature. 2013. V. 504. № 7479. P. 282–286. https://doi.org/10.1038/nature12745
  9. Gharibi B., Gonçalves E., Nashun B. et al. A FGF2-mediated incoherent feedforward loop induces Erk inhibition and promotes naïve pluripotency // BioRxiv. 2020. https://doi.org/10.1101/2020.11.11.378869
  10. Gordeev M.N., Bakhmet E.I., Tomilin A.N. Pluripotency dynamics during embryogenesis and in cell culture // Russ. J. Dev. Biol. 2021. V. 52 № 6. P. 379–389. https://doi.org/10.1134/S1062360421060059
  11. Göttlicher M., Minucci S., Zhu P. et al. Valproic acid defines a novel class of HDAC inhibitors inducing differentiation of transformed cells // EMBO J. 2001. V. 20. № 24. P. 6969–6978. https://doi.org/10.1093/emboj/20.24.6969
  12. Guo G., Meyenn F. Von, Rostovskaya M. et al. Epigenetic resetting of human pluripotency // Development. 2018. V. 145. № 8. https://doi.org/10.1242/dev.166397
  13. Guo G., Stirparo G.G., Strawbridge S.E. et al. Human naive epiblast cells possess unrestricted lineage potential // Cell Stem Cell. 2021. V. 28. № 6. P. 1040–1056.e6. https://doi.org/10.1016/J.STEM.2021.02.025
  14. Hanna J., Cheng A.W., Saha K. et al. Human embryonic stem cells with biological and epigenetic characteristics similar to those of mouse ESCs // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V. 107. № 20. P. 9222–9227. https://doi.org/10.1073/pnas.1004584107
  15. Huangfu D., Maehr R., Guo W. et al. Induction of pluripotent stem cells by defined factors is greatly improved by small-molecule compounds // Nat. Biotechnol. 2008. V. 26. № 7. P. 795–797. https://doi.org/10.1038/nbt1418
  16. Ito K., Adcock I.M. Histone acetylation and histone deacetylation // Mol. Biotechnol. 2002. V. 20. № 1. P. 99–106. https://doi.org/10.1385/MB:20:1:099
  17. Jeronimo C., Robert F. The mediator complex: at the nexus of RNA polymerase II transcription // Trends Cell Biol. 2017. V. 27. № 10. P. 765–783. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2017.07.001
  18. Johnstone R.W. Histone-deacetylase inhibitors: novel drugs for the treatment of cancer // Nat. Rev. Drug Discov. 2002. V. 1. № 4. P. 287–299. https://doi.org/10.1038/nrd772
  19. Kilens S., Meistermann Di., Moreno Di. et al. Parallel derivation of isogenic human primed and naive induced pluripotent stem cells // Nat. Commun. 2018. V. 9. № 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1038/s41467-017-02107-w
  20. Lagarkova M.A., Eremeev A.V., Svetlakov A.V. Human embryonic stem cell lines isolation, cultivation, and characterization // In Vitro Cell. Dev. Biol. 2010. V. 46. № 3–4. P. 284–293. https://doi.org/10.1007/s11626-010-9282-6
  21. Lau K.X., Mason E.A., Kie J. et al. Unique properties of a subset of human pluripotent stem cells with high capacity for self-renewal // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 1–18. https://doi.org/10.1038/s41467-020-16214-8
  22. Leitch H.G., McEwen K.R., Turp A. et al. Naive pluripotency is associated with global DNA hypomethylation // Nat. Struct. Mol. Biol. 2013. V. 20. № 3. P. 311–316. https://doi.org/10.1038/nsmb.2510
  23. Levenstein M.E., Ludwig T.E., Xu R.-H. et al. Basic fibroblast growth factor support of human embryonic stem cell self-renewal // Stem Cells. 2006. V. 24. № 3. P. 568–574. https://doi.org/10.1634/STEMCELLS.2005-0247
  24. Liu T., Li J., Yu L. et al. Cross-species single-cell transcriptomic analysis reveals pre-gastrulation developmental differences among pigs, monkeys, and humans // Cell Discov. 2021. V. 7. № 1. P. 1–17. https://doi.org/10.1038/s41421-020-00238-x
  25. Liu X., Nefzger C.M., Rossello F.J. et al. Comprehensive characterization of distinct states of human naive pluripotency generated by reprogramming // Nat. Methods. 2017. V. 4. № 11. P. 1055–1062. https://doi.org/10.1038/nmeth.4436
  26. Lynch C.J., Bernad R., Martínez-Val A. et al. Global hyperactivation of enhancers stabilizes human and mouse naive pluripotency through inhibition of CDK8/19 Mediator kinases // Nat. Cell Biol. 2020. V. 22. № 10. P. 1223–1238. https://doi.org/10.1038/s41556-020-0573-1
  27. Mazid M.A., Ward C., Luo Z. et al. Rolling back human pluripotent stem cells to an eight-cell embryo-like stage // Nature. 2022. V. 605. № 7909. P. 315–324. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04625-0
  28. Molè M.A., Coorens T.H.H., Shahbazi M.N. et al. A single cell characterisation of human embryogenesis identifies pluripotency transitions and putative anterior hypoblast centre // Nat. Commun. 2021. V. 12. № 1. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23758-w
  29. Nichols J., Smith A. Naive and primed pluripotent states // Cell Stem Cell. V. 4. № 6. P. 487–492. https://doi.org/10.1016/j.stem.2009.05.015
  30. Novo C.L.A. Tale of two states: pluripotency regulation of telomeres // Front. Cell Dev. Biol. 2021. V. 9. https://doi.org/10.3389/FCELL.2021.703466
  31. Okashita N., Kumaki Y., Ebi K. et al. PRDM14 promotes active DNA demethylation through the Teneleven translocation (TET)-mediated base excision repair pathway in embryonic stem cells // Development. 2014. V. 141. № 2. P. 269–280. https://doi.org/10.1242/dev.099622
  32. Posfai E., Schell J.P., Janiszewski A. et al. Evaluating totipotency using criteria of increasing stringency // Nat. Cell Biol. 2021. V. 23. № 1. P. 49–60. https://doi.org/10.1038/s41556-020-00609-2
  33. Rossant J., Tam P.P.L. New insights into early human development: lessons for stem cell derivation and differentiation // Cell Stem Cell. 2017. V. 20. № 1. P. 18–28. https://doi.org/10.1016/j.stem.2016.12.004
  34. Saraiva N.Z., Oliveira C.S., Garcia J.M. Histone acetylation and its role in embryonic stem cell differentiation // World J. Stem Cells. 2010. V. 2. № 6. P. 121. https://doi.org/10.4252/WJSC.V2.I6.121
  35. Seki Y. PRDM14 is a unique epigenetic regulator stabilizing transcriptional networks for pluripotency // Front. Cell Dev. Biol. 2018. V. 6. № 12. https://doi.org/10.3389/fcell.2018.00012
  36. Seto E., Yoshida M. Erasers of histone acetylation: the histone deacetylase enzymes // Cold Spring Harb. perspect. biol. 2014. V. 6. № 4. P. a018713. https://doi.org/10.1101/CSHPERSPECT.A018713
  37. Shahbazi M.N. Mechanisms of human embryo development: from cell fate to tissue shape and back // Development. 2020. V. 147. № 14. https://doi.org/10.1242/dev.190629
  38. Sim Y.-J., Kim M.-S., Nayfeh A., Yun Y.-J. et al. 2i Maintains a naive ground state in ESCs through two distinct epigenetic mechanisms // Stem Cell Reports. 2017. V. 8. № 5. P. 1312–1328. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.04.001
  39. Smith A.G. Embryo-derived stem cells: of mice and men // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2003. V. 17. № 1. P. 435–462. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.CELLBIO.17.1.435
  40. Strahl B.D., Allis C.D. The language of covalent histone modifications // Nature. 2000. V. 403. № 6765. P. 41–45. https://doi.org/10.1038/47412
  41. Takahashi K., Yamanaka S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors // Cell. V. 126. № 4. P. 663–676. https://doi.org/10.1016/j.cell.2006.07.024
  42. Vallier L., Mendjan S., Brown S. et al. Activin/Nodal signalling maintains pluripotency by controlling Nanog expression // Development. 2009. V. 136. № 8. P. 1339–1349. https://doi.org/10.1242/dev.033951
  43. Ware C.B., Nelson A.M., Mecham B. et al. Derivation of naive human embryonic stem cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. № 12. P. 4484–4489. https://doi.org/10.1073/pnas.1319738111
  44. Ware C.B., Wang L., Mecham B.H. et al. Histone deacetylase inhibition elicits an evolutionarily conserved self-renewal program in embryonic stem cells // Cell Stem Cell. 2009. V. 4. № 4. P. 359–369. https://doi.org/10.1016/j.stem.2009.03.001
  45. Weatherbee B.A.T., Cui T., Zernicka-Goetz M. Modeling human embryo development with embryonic and extra-embryonic stem cells // Dev. Biol. 2021. V. 474. P. 91–99. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2020.12.010
  46. Wolffe A.P. Sinful repression // Nature. 1997. V. 387. № 6628. P. 16–17. https://doi.org/10.1038/387016a0
  47. Yamamoto M., Suwa Y., Sugiyama K. et al. PRDM14-CtBP1/2-PRC2 complex regulates transcriptional repression during transition from primed to naïve pluripotency // J. Cell Sci. 2020. https://doi.org/10.1242/jcs.240176
  48. Yamauchi K., Ikeda T., Hosokawa M. et al. Overexpression of nuclear receptor 5A1 induces and maintains an intermediate state of conversion between primed and naive pluripotency // Stem Cell Rep. 2020. V. 14. № 3. P. 506–519. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2020.01.012
  49. Ying Q.-L., Wray J., Nichols J. et al. The ground state of embryonic stem cell self-renewal // Nature. 2008. V. 453. № 7194. P. 519–523. https://doi.org/10.1038/nature06968

Дополнительные файлы


© В.К. Абдыев, А.Л. Риппа, Н.А. Аракелян, Е.А. Воротеляк, А.В. Васильев, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».