stem%cell% biology%

44
Stem Cell Biology Jim Hue0ner 11/18/2014

Upload: others

Post on 18-Apr-2022

8 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Stem%Cell% Biology%

Stem  Cell      Biology  

Jim  Hue0ner      11/18/2014  

Page 2: Stem%Cell% Biology%

suggested  readings  •  Solter  D.  (2006)  From  teratocarcinomas  to  embryonic  stem  cells  and  beyond:  

a  history  of  embryonic  stem  cell  research.  Nat  Rev  Genet.  7:319-­‐27.    •  Buganim  Y,  Faddah  DA,  Jaenisch  R.  Mechanisms  and  models  of  somaTc  cell  

reprogramming.  Nat  Rev  Genet.  2013  Jun;14(6):427-­‐39.    •  Buganim  Y,  Markoulaki  S,  van  Wietmarschen  N,  et  al.  (2014)  The  

developmental  potenTal  of  iPSCs  is  greatly  influenced  by  reprogramming  factor  selecTon.  Cell  Stem  Cell.  15:295-­‐309..    

•  Cahan  P,  Li  H,  Morris  SA,  Lummertz  da  Rocha  E,  Daley  GQ,  Collins  JJ.  (2014)  CellNet:  network  biology  applied  to  stem  cell  engineering.  Cell.  158:903-­‐15.    

•  Fox  IJ,  Daley  GQ,  Goldman  SA,  Huard  J,  Kamp  TJ,  Trucco  M.  (2014)  Stem  cell  therapy.  Use  of  differenTated  pluripotent  stem  cells  as  replacement  therapy  for  treaTng  disease.  Science  345(6199):1247391.  

•  Schwartz  SD,  Regillo  CD,  Lam  BL  et  al.,  (2014)  Human  embryonic  stem  cell-­‐derived  reTnal  pigment  epithelium  in  paTents  with  age-­‐related  macular  degeneraTon  and  Stargardt’s  macular  dystrophy:  follow-­‐up  of  two  open-­‐label  phase  1/2  studies.  Lancet.  e-­‐pub  October  15.  

Page 3: Stem%Cell% Biology%

Stem  Cells:  definiTon  •  Self  Renewal  -­‐  undifferenTated  cells  that  can  divide  repeatedly  while  maintaining  their  undifferenTated  state.        

•  Pluripotency  –  ability  to  differenTate  into  a  variety  of  different  cell  types  

Page 4: Stem%Cell% Biology%

Donovan and Gearhart, 2001

In  vitro  differenTaTon:    •   Cell/Tssue  replacement  therapies    •   Human  model  systems  of          disease  and  development  

Page 5: Stem%Cell% Biology%

Types  of  Stem  Cells  Embryonic  –  from  the  inner  cell  mass  of  pre-­‐implantaTon  embryos,  prior  to  formaTon  of  the  3  germ  layers  (ectoderm,  mesoderm,  endoderm)    

SomaTc  –  undifferenTated  cells  found  in  specific  locaTons  in  “mature”  Tssues    

iPS  cells  –  induced  pluripotent  stem  cells  generated  by  reprogramming  differenTated  cells  (or  cell  nuclei,  i.e.  therapeuTc  cloning)    

Page 6: Stem%Cell% Biology%

Potency  

•  ToTpotent  –  able  to  generate  every  cell  type  including  extraembryonic  Tssues  

•  Pluripotent  –  able  to  generate  cells  from  all  three  embryonic  germ  layers  

• MulTpotent  –  able  to  generate  a  variety  of  cells  from  a  parTcular  somaTc  structure  

•  Unipotent  –  only  generate  one  cell  type  

Page 7: Stem%Cell% Biology%

Time  Line  

ferTlizaTon   gastrulaTon  

toTpotent   pluripotent   mulTpotent  

             somaTc    differenTaTon  

zygote   morula   blastocyst  

implantaTon  

Page 8: Stem%Cell% Biology%

h0p://stemcells.nih.gov/info/scireport/pages/chapter1.aspx  

Inner  cell  mass  

Epiblast:  embryo  Hypoblast:  yolk  sac  

Page 9: Stem%Cell% Biology%

Early  Embryology    

h0p://stemcells.nih.gov/info/scireport/pages/appendixa.aspx  

Human   Mouse  

Page 10: Stem%Cell% Biology%

making  a  knockout  mouse  

h0p://en.wikipedia.org/wiki/Knockout_mouse  

Page 11: Stem%Cell% Biology%

First  IsolaTon  of  ES  cells  Mouse:    

Evans  MJ,  Kaufman  MH.  (1981)  Establishment  in  culture  of  pluripotenTal  cells  from  mouse        embryos.  Nature.  292:154-­‐6.      MarTn  GR.  (1981)  IsolaTon  of  a  pluripotent  cell  line  from  early  mouse  embryos  cultured  in  medium  condiToned  by  teratocarcinoma  stem  cells.  P.N.A.S.  U  S  A.  78:7634-­‐8.  

 

Human:  Thomson  JA,  Itskovitz-­‐Eldor  J,  Shapiro  SS,  Waknitz  MA,  Swiergiel  JJ,  Marshall  VS,  Jones  JM.  (1998)  Embryonic  stem  cell  lines  derived  from  human  blastocysts.  Science.  282:1145-­‐7.    

GeneTc  and  Developmental  Normality  (140  cycles):  Suda  Y,  Suzuki  M,  Ikawa  Y,  Aizawa  S.  (1987)  Mouse  embryonic  stem  cells  exhibit  indefinite  proliferaTve  potenTal.  J  Cell  Physiol.  133:197-­‐201.  

     

Page 12: Stem%Cell% Biology%

Pluripotency  markers  •  Stage-­‐specific  anTgens:  AnT-­‐SSEA  3  and  4  recognize  globo-­‐series  gangliosides  

•  Tra1-­‐60  and  Tra1-­‐81:  keraTn  sulfate  surface  anTgens  

•  Oct3/4,  Sox2,  Nanog  –  transcripTon  factors  involved  with  maintaining  pluripotency  

•  Normal  karyotype,  and  pre-­‐X-­‐inacTvaTon?  

Page 13: Stem%Cell% Biology%

Two  types  of  ES  cells?  

•  Blastocyst  chimera  (+)  •  High  cloning  efficiency  •  Short  doubling  Tme  •  Xa  Xa  •  Distal  Oct4  enhancer  •  High  Nanog,  Klf2/4,  Rex1  

•  Blastocyst  chimera  (-­‐)  •  Low  cloning  efficiency  •  Long  doubling  Tme  •  Xa  Xi  •  Proximal  Oct4  enhancer  •  Low  Nanog,  Klf2/4,  Rex1  

   “Naïve”  (ICM-­‐like)  

“Primed”    (Epi-­‐SC)  

Both  types  can  self  renew  and  give  rise  to  cells  from  all  3  germ  layers  in  teratomas  or  following  in  vitro  differenTaTon  

Page 14: Stem%Cell% Biology%

maintenance  of  pluripotency  -­‐  1  •  IniTal  work  done  on  mouse  embryonic  fibroblast  (MEF)  

feeder  cells  in  medium  supplemented  with  animal  serum  

•  One  factor  produced  by  feeder  cells  that  helps  maintain  mouse  ES  cells  in  their  undifferenTated  state  is  leukemia  inhibitory  factor  (LIF)  which  acTvates  the  Stat3  pathway.    

•  Good  Manufacturing  Process  (GMP)  –  guidelines  for  isolaTon  and  propagaTon  of  cells  that  would  be  used  for  replacement  therapy.  Ideally  they  would  be  xeno-­‐free.  

•  The  push  for  xeno-­‐free  condiTons,  combined  with  work  to  opTmize  reprogramming,  has  driven  screening  of  factors  that  can  enable  serum-­‐free  maintenance  of  pluripotency  

Page 15: Stem%Cell% Biology%

maintenance  of  pluripotency  -­‐  2  

•  LIF  -­‐  Stat3  •  BMP4  -­‐  Smad1/5  •  Wnt  (GSK-­‐3  inhibitors)  •  IGF  

     

 •  TGFβ/acTvin-­‐Smad2/3  •  FGF2  •  ERK1/2    

•  TGFβ/acTvin  –  Smad2/3  •  FGF2  •  ERK1/2  •  Wnt  (GSK-­‐3  inhibitors)  •  IGF  

   

 •  BMP4  –  Smad1/5  

   

“naïve”   “primed”  Posi%ve  Regulators  

Nega%ve  Regulators  

Page 16: Stem%Cell% Biology%

maintenance  of  pluripotency  -­‐  3  

•  LIF  -­‐  Stat3  •  GSK-­‐3  inhibitors  (Wnt)  •  ERK1/2  inhibitors  

 

(2i/LIF)    

•  LIF  –  Stat3  •  GSK-­‐3  inhibitors  (Wnt)  •  ERK1/2  inhibitors  •  PKC  inhibitor  •  p38  inhibitor  •  JNK  inhibitor  •  ROCK  inhibitor  •  FGF2  •  TGF-­‐β1  

Mouse  (2008)   Human  (2013)  

“Current  Standard”  Condi%ons  

For  serum  free  growth  also  need:  Insulin,  transferrin,  progesterone,  putrescine,  selenium  

but  see:  Takashima  et  al.,  Cell  158:1254-­‐1269  (2014)  

Page 17: Stem%Cell% Biology%

A0empts  to  define  “Stemness”  

•  Early  microarray  profiles  showed  surprising  lack  of  agreement  (limitaTons  in  microarray  technology  or  platorm/lab/primary  cell  or  cell  line  differences)  (Science  302:393,  2003)    

•  RelaTvely  weak  overlap  between  mouse  and  human  ES  cells  (~25%)  compared  to  >90%  typical  for  differenTated  Tssues.  (Stem  Cell  Reviews  1:111-­‐118,  2005)  but  this  may  reflect  confusion  between  naïve  and  primed  ES  cells  

Page 18: Stem%Cell% Biology%

In  vitro  differenTaTon  •  Different  culture  condiTons  alter  the  fate  of  ES  cells  in  vitro  •  Protocols  exist  for  all  three  germ  layers  

•  Many,  but  not  all,  protocols  involve  aggregaTon  of  ES  cells  in  “embryoid  bodies”    

•  Most  protocols  do  not  yield  a  single  type  of  cell  

•  SelecTon  steps  can  help  to  remove  undesired  cell  types  

•  Need  to  ask:  How  far?  &  How  faithful?  

PancreaTc  β  cells:  • Pagliuca  FW,  et  al.  (2014)  GeneraTon  of  FuncTonal  Human  PancreaTc  β  Cells  In  Vitro.  Cell.  Oct,  159:428-­‐39.    

• Rezania  A,  et  al.  (2014)  Reversal  of  diabetes  with  insulin-­‐producing  cells  derived  in  vitro  from  human  pluripotent  stem  cells.  Nat  Biotechnol.  Nov,  32:1121-­‐33.  

Page 19: Stem%Cell% Biology%

ES  cells      → neurons  •  pluripotent  •  funcTonally  immortal  •  geneTcally  &  developmentally  normal  

•  postmitoTc  •  polarized  •  excitable  •  heterogeneous  

Page 20: Stem%Cell% Biology%

4 d 4 d 4 d 6 d

Serum Free Medium

+ RA

ESC

SFD

SF+RA

Kim  et  al.,  Developmental  Biology  328:456-­‐471,  2009  

Page 21: Stem%Cell% Biology%
Page 22: Stem%Cell% Biology%

β-tubulin nestin Hoechst

Page 23: Stem%Cell% Biology%

GABA β-tubulin Hoechst GAP43 MAP2 Hoechst

Page 24: Stem%Cell% Biology%

voltage-­‐gated  Na+  and  K+  currents  

Developmental  Biology  168:342-­‐357,  1995  

Page 25: Stem%Cell% Biology%

Journal  of  Neuroscience  16:1056-­‐65,  1996  

Page 26: Stem%Cell% Biology%
Page 27: Stem%Cell% Biology%

Developmental  Biology  328:456-­‐471,  2009  

Hierarchical  clustering  by  frequency  of  Gene  Ontology  terms  

Page 28: Stem%Cell% Biology%

Reprogramming  

•  SCNT  –  somaTc  cell  nuclear  transfer  (reproducTve  and  therapeuTc  cloning)  –  determinisTc  and  fairly  rapid  

•  iPS  –  induced  pluripotent  stem  cells  –  slow  and  stochasTc  (unTl  recently)  

•  TransdifferenTaTon  –  conversion  of  one  terminally  differenTated  cell  type  into  another  without  de-­‐differenTaTon  to  an  immature  phenotype.  Must  rule  out  cell  fusion  or  other  explanaTons.  

Page 29: Stem%Cell% Biology%

Reprogramming:  somaTc  cell  nuclear  transfer    

h0p://www.biotechnologyonline.gov.au/images/contentpages/scnt.gif  

Page 30: Stem%Cell% Biology%

Reprogramming  Firsts:  SCNT  Frog:  

Gurdon  JB.  (1962)  Adult  frogs  derived  from  the  nuclei  of  single  somaTc  cells.  Dev  Biol.  4:256-­‐73.  

Sheep:  Campbell  KH,  McWhir  J,  Ritchie  WA,  Wilmut  I.  (1996)  Sheep  cloned  by  nuclear  transfer  from  a  cultured  cell  line.  Nature.  380:64-­‐6.    

Human:  (2004)  –  Claim  of  human  SCNT  that  proved  to  be  unfounded!    Tachibana  M,  et  al.  (2013)  Human  embryonic  stem  cells  derived  by  somaTc  cell  nuclear  transfer.  Cell.  153:1228-­‐38.    

Page 31: Stem%Cell% Biology%

Reprogramming  Firsts:  iPS  cells  Mouse:  

Takahashi  K,  Yamanaka  S.  (2006)  InducTon  of  pluripotent  stem  cells  from  mouse  embryonic  and  adult  fibroblast  cultures  by  defined  factors.  Cell.  126:663-­‐76    

 Human:  Takahashi  K,  Tanabe  K,  Ohnuki  M,  Narita  M,  Ichisaka  T,  Tomoda  K,  Yamanaka  S.  (2007)  InducTon  of  pluripotent  stem  cells  from  adult  human  fibroblasts  by  defined  factors.  Cell.  131:861-­‐72.      Yu  J,  Vodyanik  MA,  Smuga-­‐O0o  K,  et  al.,  (2007)  Induced  pluripotent  stem  cell  lines  derived  from  human  somaTc  cells.  Science.  318:1917-­‐20.    

Page 32: Stem%Cell% Biology%

GeneraTng  iPS  cells  

•  Express  transcripTon  factors:        Oct3/4,  Sox2,  Klf4  and  c-­‐Myc      OR    Oct3/4,  Sox2,  Nanog  and  Lin28  

•  IniTal  de-­‐differenTaTon  and  proliferaTon    (day  1-­‐3,  enhanced  by  Myc);  histone  modificaTon  and  chromaTn  reorganizaTon  

•  2nd  wave  of  gene  expression  -­‐  stem  cell  and  development  related  genes  (day  9-­‐12);  DNA  demethylaTon  and  X  reacTvaTon    

Page 33: Stem%Cell% Biology%

Graf  T.  Cell  Stem  Cell  9:504-­‐516,  2011  

Page 34: Stem%Cell% Biology%

Nature  Reviews  GeneTcs  14:427-­‐439,  2013  

Page 35: Stem%Cell% Biology%

Removing  the  bo0le  neck?  

•  Rais  et  al.,  Nature  502:65-­‐70,  2013  implicate  Mbd3,  a  component  in  the  NuRD  complex  that  mediates  gene  repression  via  histone  deacetylaTon  and  chromaTn  remodeling.  

•  Argue  that  the  reprogramming  factors  recruit  both  repressive  (Mbd3/NuRD)  and  de-­‐repressive  (Wdr5  and  Utx)  complexes,  and  reprogramming  only  occurs  when  the  Mbd3/NuRd  repression  loses.        

•  Achieve  nearly  100%  reprogramming  within  7  days  in  cells  with  Mbd3  reduced  or  eliminated.  

Page 36: Stem%Cell% Biology%

Skipping  the  bo0le  neck?  

•  Jaenisch  lab  (Cell  Stem  Cell  15:295-­‐309,  2014)  used  SNEL  factors  from  the  determinisTc  phase  (Sall4,  Nanog,  Esrrb  and  Lin28).  

•  Obtained  fewer  but  “higher  quality”  mouse  iPSC  colonies  as  judged  by  producTon  of  all-­‐iPSC  mice  from  4n  blastocyst  injecTons,  and  lack  of  trisomy  8.    

•  Has  not  worked  yet  in  humans  

•  Is  this  de-­‐differenTaTon  or  transdifferenTaTon?  

Page 37: Stem%Cell% Biology%

TransdifferenTaTon  

•  Conversion  from  one  differenTated  cell  type  to  another  without  evident  de-­‐differenTaTon  and  re-­‐differenTaTon  

• Must  not  be  confused  by  cell  fusion  or  selecTon  for  rare  pluripotent  cells  in  the  source  material.  

•  Induced  by  expression  of  transcripTon  factors  and  microRNAs  

Page 38: Stem%Cell% Biology%

Graf  T.  Cell  Stem  Cell  9:504-­‐516,  2011  

Page 39: Stem%Cell% Biology%

Fibroblasts  to  neurons  

• Wernig  and  colleagues  screened  19  transcripTon  factors  via  lenTviral  expression  

•  Found  5  were  most  criTcal  Asc1,  Brn2,  Olig2,  Zic1  and  Myt1l,  and  3  were  sufficient  

•  20%  conversion  within  2  weeks  •  For  human  fibroblast  conversion  also  require  NeuroD1  and  it  is  less  efficient  (2-­‐4%)  and  slower  (5-­‐6  weeks  for  funcTonal  synapses)  

 

Page 40: Stem%Cell% Biology%

Yang  et  al.,  Cell  Stem  Cell  9:517-­‐525,  2011  

Page 41: Stem%Cell% Biology%

Conversion  process  •  Asc1  bHLH  transcripTon  factor  binds  to  many  of  the  same  genomic  loci  when  expressed  in  fibroblasts,  myoblasts  or  neural  progenitors.  

•  These  sites  are  marked  by  specific  histone  modificaTons  (H3K4me1,  H3K27acetyl,  H3K9me3)  

•  these  sites  are  not  accessible  in  keraTnocytes  or  osteoblasts,  which  resist  transdifferenTaTon  into  neurons.    

•  Brn2  Pou-­‐Homeodomain  transcripTon  factor  is  recruited  by  Asc1  to  a  subset  of  locaTons  

Page 42: Stem%Cell% Biology%

EvaluaTon  •  SCNT  vs  iPSCs  from  isogenic  cells:  

Ma  H,  Morey  R,  O'Neil  RC,  et  al.,  (2014)  AbnormaliTes  in  human  pluripotent  cells  due  to  reprogramming  mechanisms.  Nature  511:177-­‐83.    Johannesson  B,  Sagi  I,  Gore  A,  et  al.,  (2014)  Comparable  frequencies  of  coding  mutaTons  and  loss  of  imprinTng  in  human  pluripotent  cells  derived  by  nuclear  transfer  and  defined  factors.  Cell  Stem  Cell  15:634-­‐642.    

•  Origin-­‐dependence  a�er  iPSC  differenTaTon:  Hargus  G,  Ehrlich  M,  Araúzo-­‐Bravo  MJ,  et  al.,  (2014)  Origin-­‐dependent  neural  cell  idenTTes  in  differenTated  human  iPSCs  in  vitro  and  a�er  transplantaTon  into  the  mouse  brain.  Cell  Reports  8:1697-­‐703.  

•  An  opTmizaTon  strategy?  Morris  SA,  Cahan  P,  Li  H,  et  al.,  (2014)  DissecTng  engineered  cell  types  and  enhancing  cell  fate  conversion  via  CellNet.  Cell  158:889-­‐902.  

Page 43: Stem%Cell% Biology%

Aldhous,  2001  

Goals  of  Reprogramming:  • Models  of  human  disease  

•  Isogenic  cells  for    replacement  therapy  

Page 44: Stem%Cell% Biology%

Proof  of  Concept  

Hanna  et  al.,  Science  318:1920-­‐1923,  2007