Young Hyun Che;In Young Choi;Chan Eui Song;Chulsoo Park;Seung Kwon Lim;Jeong Hee Kim;Su Haeng Sung;Jae Hoon Park;Sun Lee;Yong Jun Kim
International Journal of Stem Cells
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제16권3호
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pp.269-280
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2023
Background and Objectives: The colonic epithelial layer is a complex structure consisting of multiple cell types that regulate various aspects of colonic physiology, yet the mechanisms underlying epithelial cell differentiation during development remain unclear. Organoids have emerged as a promising model for investigating organogenesis, but achieving organ-like cell configurations within colonic organoids is challenging. Here, we investigated the biological significance of peripheral neurons in the formation of colonic organoids. Methods and Results: Colonic organoids were co-cultured with human embryonic stem cell (hESC)-derived peripheral neurons, resulting in the morphological maturation of columnar epithelial cells, as well as the presence of enterochromaffin cells. Substance P released from immature peripheral neurons played a critical role in the development of colonic epithelial cells. These findings highlight the vital role of inter-organ interactions in organoid development and provide insights into colonic epithelial cell differentiation mechanisms. Conclusions: Our results suggest that the peripheral nervous system may have a significant role in the development of colonic epithelial cells, which could have important implications for future studies of organogenesis and disease modeling.
In general, cloned pigs have been produced using the somatic cell nuclear transfer (SCNT) technique with various types of somatic cells; however, the SCNT technique has disadvantages not only in its low efficiency but also in the development of abnormal clones. This study aimed to compare early embryonic development and quality of SCNT embryos with those of induced pluripotent stem cells (iPSCs) NT embryos (iPSC-NTs). Ear fibroblast cells were used as donor cells and iPSCs were generated from these cells by lentiviral transduction with human six factors (Oct4, Sox2, c-Myc, Nanog, Klf4 and Lin28). Blastocyst formation rate in iPSC-NT (23/258, 8.9%) was significantly lower than that in SCNT (46/175, 26.3%; p < 0.05). Total cell number in blastocysts was similar between two groups, but blastocysts in iPSC-NT had a lower number of apoptotic cells than in SCNT (2.0 ± 0.6 vs. 9.8 ± 2.9, p < 0.05). Quantitative PCR data showed that apoptosis-related genes (bax, caspase-3, and caspase-9) were highly expressed in SCNT than iPSC-NT (p < 0.05). Although an early development rate was low in iPSC-NT, the quality of cloned embryos from porcine iPSC was higher than that of embryos from somatic cells. Therefore, porcine iPSCs could be used as a preferable cell source to create a clone or transgenic animals by using the NT technique.
배아줄기세포를 이용한 형질전환동물의 제조는 유전자의 기능 연구에 필수적이다. 특히 유전자 파괴 생쥐는 유전자의 기능 연구뿐만 아니라 사람 질병 연구에 중요한 모델이 되어 왔다. 유전자 적중법(gene targeting)과 유전자 함정법(gene trapping)은 ES 세포에서 녹아웃(knockout) 생쥐를 제조하는 대표적인 방법이다. 20여 년 전 유전자 적중법과 함정법이 최초로 개발된 이후에 이 기술은 많은 변화를 거쳤다. 특히 상동재조합에 기초한 전통적 유전자 적중법은 대량 제조기반의 조건부 유전자 적중법의 개발로 이어졌고, 유전자 적중법 및 유전자 함정법의 장점 요소의 조합은 유전자를 파괴하는 범위를 넓혔고, 유전자 적중을 더욱 효율적으로 만들었다. 이런 기술은 특정 유전자를 표적으로 하는 다양한 종류의 돌연변이 형질전환동물을 제조할 수 있게 하여 포스트게놈 시대에 요구되는 전체 유전체의 기능 연구를 더욱 효과적으로 진행시켜 줄 것이다.
Porcine embryonic stem cells (pESCs) have become an advantageous experimental tool for developing therapeutic applications and producing transgenic animals. However, despite numerous reports of putative pESC lines, deriving validated pESC lines from embryos produced in vitro remains difficult. Here, we report that embryo aggregation was useful for deriving pESCs from in vitro-produced embryos. Blastocysts derived from embryo aggregation formed a larger number of colonies and maintained cell culture stability. Our derived cell lines demonstrated expression of pluripotent markers (alkaline phosphatase, Oct4, Sox2, and Nanog), an ability to form embryoid bodies, and the capacity to differentiate into the three germ layers. A cytogenetic analysis of these cells revealed that all lines derived from aggregated blastocysts had normal female and male karyotypes. These results demonstrate that embryo aggregation could be a useful technique to improve the efficiency of deriving ESCs from in vitro-fertilized pig embryos, studying early development, and deriving pluripotent ESCs in vitro in other mammals.
MicroRNAs (miRNAs) are approximately 22 nucleotides of small noncoding RNAs that control gene expression at the posttranscriptional level through translational inhibition and destabilization of their target mRNAs. The miRNAs are phylogenetically conserved and have been shown to be instrumental in a wide variety of key biological processes including cell cycle regulation, apoptosis, metabolism, imprinting, and differentiation. Recently, a paper has shown that expression of the miRNA-302/367 cluster expressed abundantly in mouse and human embryonic stem cells (ESCs) can directly reprogram mouse and human somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) efficiently in the absence of any of the four factors, Oct4, Sox2, c-Myc, and Klf4. To apply this efficient method to porcine, we analyzed porcine genomic sequence containing predicted porcine miRNA-302/367 cluster through ENSEMBL database, generated a non-replicative episomal vector system including miRNA-302/367 cluster originated from porcine embryonic fibroblasts (PEF), and tried to make porcine iPSCs by transfection of the miRNA-302/367 cluster. Colonies expressing EGFP and forming compact shape were found, but they were not established as iPSC lines. Our data in this study show that pig miRNA-302/367 cluster could not satisfy requirement of PEF reprogramming conditions for pluripotency. To make pig iPSC lines by miRNA, further studies on the role of miRNAs in pluripotency and new trials of transfection with conventional reprogramming factors are needed.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) is a stable and biocompatible material that has been broadly used in biomedical applications. Due to its piezoelectric property, the electrospun nanofiber of PVDF has been used to culture electroactive cells, such as osteocytes and cardiomyocytes. Here, taking advantage of the piezoelectric property of PVDF, we have fabricated a PVDF nanofiber scaffolds using an electrospinning technique for differentiating human embryonic stem cells (hESCs) into neural precursors (NPs). Surface coating with a peptide derived from vitronectin enables hESCs to firmly adhere onto the nanofiber scaffolds and differentiate into NPs under dual-SMAD inhibition. Our nanofiber scaffolds supported the differentiation of hESCs into SOX1-positive NPs more significantly than Matrigel. The NPs generated on the nanofiber scaffolds could give rise to neurons, astrocytes, and oligodendrocyte precursors. Furthermore, comparative transcriptome analysis revealed the variable expressions of 27 genes in the nanofiber scaffold groups, several of which are highly related to the biological processes required for neural differentiation. These results suggest that a PVDF nanofiber scaffold coated with a vitronectin peptide can serve as a highly efficient and defined culture platform for the neural differentiation of hESCs.
Background: Hypoxia causes oxidative stress and affects cardiovascular function and the programming of cardiovascular disease. Melatonin promotes antioxidant enzymes such as superoxide dismutase, glutathione reductase, glutathione peroxidase, and catalase. Objectives: This study aims to investigate the correlation between melatonin and hypoxia induction in cardiomyocytes differentiation. Methods: Mouse embryonic stem cells (mESCs) were induced to myocardial differentiation. To demonstrate the influence of melatonin under hypoxia, mESC was pretreated with melatonin and then cultured in hypoxic condition. The cardiac beating ratio of the mESC-derived cardiomyocytes, mRNA and protein expression levels were investigated. Results: Under hypoxic condition, the mRNA expression of cardiac-lineage markers (Brachyury, Tbx20, and cTn1) and melatonin receptor (Mtnr1a) was reduced. The mRNA expression of cTn1 and the beating ratio of mESCs increased when melatonin was treated simultaneously with hypoxia, compared to when only exposed to hypoxia. Hypoxia-inducible factor (HIF)-1α protein decreased with melatonin treatment under hypoxia, and Mtnr1a mRNA expression increased. When the cells were exposed to hypoxia with melatonin treatment, the protein expressions of phospho-extracellular signal-related kinase (p-ERK) and Bcl-2-associated X proteins (Bax) decreased, however, the levels of phospho-protein kinase B (p-Akt), phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K), B-cell lymphoma 2 (Bcl-2) proteins, and antioxidant enzymes including Cu/Zn-SOD, Mn-SOD, and catalase were increased. Competitive melatonin receptor antagonist luzindole blocked the melatonin-induced effects. Conclusions: This study demonstrates that hypoxia inhibits cardiomyocytes differentiation and melatonin partially mitigates the adverse effect of hypoxia in myocardial differentiation by regulating apoptosis and oxidative stress through the p-AKT and PI3K pathway.
CCCTC-binding factor (CTCF) critically contributes to 3D chromatin organization by determining topologically associated domain (TAD) borders. Although CTCF primarily binds at TAD borders, there also exist putative CTCF-binding sites within TADs, which are spread throughout the genome by retrotransposition. However, the detailed mechanism responsible for masking the putative CTCF-binding sites remains largely elusive. Here, we show that the ATP-dependent chromatin remodeler, chromodomain helicase DNA-binding 4 (CHD4), regulates chromatin accessibility to conceal aberrant CTCF-binding sites embedded in H3K9me3-enriched heterochromatic B2 short interspersed nuclear elements (SINEs) in mouse embryonic stem cells (mESCs). Upon CHD4 depletion, these aberrant CTCF-binding sites become accessible and aberrant CTCF recruitment occurs within TADs, resulting in disorganization of local TADs. RNA-binding intrinsically disordered domains (IDRs) of CHD4 are required to prevent this aberrant CTCF binding, and CHD4 is critical for the repression of B2 SINE transcripts. These results collectively reveal that a CHD4-mediated mechanism ensures appropriate CTCF binding and associated TAD organization in mESCs.
This study was conducted to investigate the effects of Woohwangcheungsimweun (ox bezoar), deer antlers, and wild ginseng on induction of cardiomyocyte differentiation using the established mouse embryonic stem (ES) cells. The expression of atrial natriuretic peptide (ANP) was highest in Woohwangcheungsimweun treatment group. The expression of rabbit anti-GATA-4(GATA-4) and troponin (TnI) were highest in wild ginseng and Woohwangcheungsimweun treatment groups, respectively. Fluorescence activated cell sorting (FACS) analysis showed that the expression of ANP was highest in Dimethyl sulfoxide(DMSO) and Woohwangcheungsimweun treatment groups. The expression of GATA-4 was relatively high in wild ginseng treatment group. The expression of TnI was highest in Woohwangcheungsimweun treatment group. In the gene expression analysis, DMSO greatly inhibited GATA-4 expression to 25% of control. Woohwangcheungsimweun treatment caused to increase cTnI and cardiac ANP expression significantly. Wild ginseng extract upregulated GATA-4 gene expression. In conclusion, DMSO widely used as cardiomyocyte differentiation inducer did not show significant effects on the expression of ANP, GATA-4 and TnI in this study. Woohwangcheungsimweun showed upregulation of ANP and TnI expression. Wild ginseng extract showed greater effects than DMSO on GATA-4 expression. These results might suggest that the combination of Woohwangcheungsimweun and wild ginseng extract treatment can be expected to increase expressions of all three genes.
Objective: In order to acquire the technique for the establishment of human embryonic stem cells (ESe) derived from the human frozen-thawed embryos produced in IVF-ET program, this study was performed to establish mouse ESC derived from the in vitro fertilized embryos. Materials and Methods: After Fl hybrid (C57BL female $\times$ CBA mael) female mice were superovulated with PMSG and hCG treatment, their oocytes were retrieved and inseminated, and the fertilized embryos were cultured for 96-120 hours until the expected stages of blastocysts were obtained. To isolate the inner cell mass (ICM), either the blastocysts were treated with immunosurgery, or the whole embryos were cultured for 4 days. Isolated ICMs were then cultured onto STO feeder cell layer, and the resultant ICM colonies were subcultured with trypsin-EDTA treatment. During the subculture process, ESC-like cell colonies were observed with phase contrast microscopy. To identify ESC in the subcultured ESC-like cell colonies, alkaline phosphatase activity and Oct-4 (octamer-binding transcription factor-4) expression were examined by immunohistochemistry and RT-PCR, respectively. To examine the spontaneous differentiation, ESC-like cell colonies were cultured without STO feeder cell layer and leukemia inhibitory factor (LIF). Results: Seven ESC-like cell lines were established from ICMs isolated from the in vitro fertilized embryos. According to the developmental stage, the growth of ICMs isolated from the expanded blastocysts was significantly better than that of ICMs isolated from the hatched blastocysts (80.3% vs. 58.7%, p<0.05). ESC-like cell colonies were only obtained from ICMs of expanded blastocysts. However, the ICMs isolated from the embryos treated with immunosurgery were poorly grown and frequently differentiated during the culture process. The established ESC-like cell colonies were positively stained with alkaline phosphatase and expressed Oct-4, and their morphology resembled that observed in the previously reported mouse ESC. In addition, following the extended in vitro culture process, they maintained their expression of cell surface markers characteristic of the pluripotent stem cells such as alkaline phosphatase and Oct-4. When cultured without STO feeder cell layer and LIF, they were spontaneously differentiated into the various types of cells. Conclusion: The findings of this study suggest that the establishment of mouse ESC can be successfully derived from the in vitro fertilized embryos. The established ESC-like cells expressed the cell surface markers characteristic of the pluripotent stem cells and spontaneously differentiated into the various types of cells.
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