Cells that have endogenous multipotent properties can be used as a starting source for the generation of induced pluripotent cells (iPSC). In addition, small molecules associated with epigenetic reprogramming are also widely used to enhance the multi- or pluripotency of such cells. Skinderived precursor cells (SKPs) are multipotent, sphereforming and embryonic neural crest-related precursor cells. These cells can be isolated from a juvenile or adult mammalian dermis. SKPs are also an efficient starting cell source for reprogramming and the generation of iPSCs because of the high expression levels of Sox2 and Klf4 in these cells as well as their endogenous multipotency. In this study, valproic acid (VPA), a histone deacetylase (HDAC) inhibitor, was tested in the generation of iPSCs as a potential enhancer of the reprogramming potential of SKPs. SKPs were isolated from the back skins of 5-6 week old C57BL/6 X DBA/2 F1 mice. After passage 3, the SKPs was treated with 2 mM of VPA and the quantitative real time RT-PCR was performed to quantify the expression of Oct4 and Klf4 (pluripotency specific genes), and Snai2 and Ngfr (neural crest specific genes). The results show that Oct4 and Klf4 expression was decreased by VPA treatment. However, there were no significant changes in neural crest specific gene expression following VPA treatment. Hence, although VPA is one of the most potent of the HDAC inhibitors, it does not enhance the reprogramming of multipotent skin precursor cells in mice.
Pluripotent stem cells only exist in a narrow window during early embryonic development, whereas multipotent stem cells are abundant throughout embryonic development and are retainedin various adult tissues and organs. While pluripotent stem cell lines have been established from several species, including mouse, rat, and human, it is still challenging to establish stable multipotent stem cell lines from embryonic or adult tissues. Based on current knowledge, we anticipate that by manipulating extrinsic and intrinsic signaling pathways, most if not all types of stem cells can be maintained in a long-term culture. In this article, we summarize current culture conditions established for the long-term maintenance of authentic pluripotent and multipotent stem cells and the signaling pathways involved. We also discuss the general principles of stem cell maintenance and propose several strategies on the establishment of novel stem cell lines through manipulation of signaling pathways.
Objective: The aim of this study was to investigate whether multipotent germline stem cells (MGSCs) can be established from neonatal mouse testis. Methods: Various cells containing MGSCs were collected from neonatal testis of ICR mice and allocated to plates for in vitro culture. After 7 days in culture, the cells were passed to a fresh culture plate and continuously cultured. From the third or fourth passage, the presumed MGSCs were cultured and maintained on mitomycin C-inactivated STO feeder cells. The MGSCs were cultured in a condition where mouse embryonic stem cells (ESCs) are cultured. Characteristics of the MGSCs were evaluated by RT-PCR, immunocytochemistry, alkaline phosphatase activity, karyotyping, and transmission electron microscopy. Results: Two MGSCs lines were established from 9 pooled sets of neonatal testicular cells. MGSCs colonies were morphologically undistinguishable from ESCs colonies and both MGSC lines as well as ESCs expressed undifferentiated stem cell markers, such as Thy-1, Oct-4, Nanog, Sox2 and alkaline phosphatase. Fine structure of undifferentiated MGSCs were similar to those of ESCs and 60% of MGSCs (12/20) had normal karyotype at passage 10. They were able to form embryoid bodies (EBs) and MGSC-derived EBs expressed marker genes of three germ layers. Conclusion: We could establish the MGSCs from neonatal mouse testis and they were differentiated to multipotent lineages of three germ layers. Molecular characteristics of MGSCs were similar to those of ESCs. Our results suggest a possibility that multipotent stem cells derived from testis, the MGSCs, could replace the ESCs in biotechnology and regenerative medicine.
The expression of nestin and vimentin in the spinal nerve roots of rats with experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) was studied to ascertain whether Schwann cells in the peripheral nerves respond to acute central nervous system autoimmune injury. Immunohistochemistry demonstrated that nestin was constitutively expressed in the dorsal roots of spinal nerves in control rats; its expression was enhanced in the spinal nerve roots of rats with EAE. Vimentin expression was weak in control rat spinal nerve roots, and it was increased in the dorsal roots of rats with EAE. It is postulated that normal animals have multipotent progenitor cells that constitutively express nestin and vimentin in the spinal nerve roots. In response to an injury of the central nervous system, these multipotent Schwann cells are activated in the spinal nerve roots through the expression of the intermediate filament proteins vimentin and nestin.
Testis-derived germline stem (GS) cells can undergo reprogramming to acquire multipotency when cultured under appropriate culture conditions. These multipotent GS (mGS) cells have been known to differ from GS cells in their DNA methylation pattern. In this study, we examined the DNA methylation status of the H19 imprinting control region (ICR) in multipotent adult germline stem (maGS) cells to elucidate how epigenetic imprints are altered by culture conditions. DNA methylation was analyzed by bisulfite sequencing PCR of established maGS cells cultured in the presence of glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) alone or both GDNF and leukemia inhibitory factor (LIF). The results showed that the H19 ICR in maGS cells of both groups was hypermethylated and had an androgenetic pattern similar to that of GS cells. In line with these data, the relative abundance of the Igf2 mRNA transcript was two-fold higher and that of H19 was three fold lower than in control embryonic stem cells. The androgenetic DNA methylation pattern of the H19 ICR was maintained even after 54 passages. Furthermore, differentiating maGS cells from retinoic acid-treated embryoid bodies maintained the androgenetic imprinting pattern of the H19 ICR. Taken together these data suggest that our maGS cells are epigenetically stable for the H19 gene during in vitro modifications. Further studies on the epigenetic regulation and chromatin structure of maGS cells are therefore necessary before their full potential can be utilized in regenerative medicine.
Mesenchymal stem cells (MSCs) are often known to have a therapeutic potential in the cell-mediated repair for fatal or incurable diseases. In this study, canine umbilical cord MSCs (cUC-MSCs) were isolated from umbilical cord matrix (n = 3) and subjected to proliferative culture for 5 consecutive passages. The cells at each passage were characterized for multipotent MSC properties such as proliferation kinetics, expression patterns of MSC surface markers and self-renewal associated markers, and chondrogenic differentiation. In results, the proliferation of the cells as determined by the cumulative population doubling level was observed at its peak on passage 3 and stopped after passage 5, whereas cell doubling time dramatically increased after passage 4. Expression of MSC surface markers (CD44, CD54, CD61, CD80, CD90 and Flk-1), molecule (HMGA2) and pluripotent markers (sox2, nanog) associated with self-renewal was negatively correlated with the number of passages. However, MSC surface marker (CD105) and pluripotent marker (Oct3/4) decreased with increasing the number of subpassage. cUC-MSCs at passage 1 to 5 underwent chondrogenesis under specific culture conditions, but percentage of chondrogenic differentiation decreased with increasing the number of subpassage. Collectively, the present study suggested that sequential subpassage could affect multipotent properties of cUC-MSCs and needs to be addressed before clinical applications.
In the present study, embryoid bodies (EBs) obtained from induced pluripotent stem cells (iPSCs) were induced to differentiate into germ lineage cells by treatment with bone morphogenetic protein 4 (BMP4) and retinoic acid (RA). The results were compared to the results for embryonic stem cells (ESCs) and multipotent spermatogonial stem cells (mSSCs) and quantified using immunocytochemical analysis of germ cell-specific markers (integrin-${\alpha}6$, GFR-${\alpha}1$, CD90/Thy1), fluorescence activating cell sorting (FACS), and real time-RT-PCR. We show that the highest levels of germ cell marker-expressing cells were obtained from groups treated with 10 ng/$m{\ell}$ BMP4 or 0.01 ${\mu}M$ RA. In the BMP4-treated group, GFR-${\alpha}1$ and CD90/Thy-1 were highly expressed in the EBs of iPSCs and ESCs compared to EBs of mSSCs. The expression of Nanog was much lower in iPSCs compared to ESCs and mSSCs. In the RA treated group, the level of GFR-${\alpha}1$ and CD90/Thy-1 expression in the EBs of mSSCs Induced pluripotent stem cells, Mouse embryonic stem cells, Multipotent spermatogonial stem cells, Germ cell lineage, Differentiation potential. was much higher than the levels found in the EBs of iPSCs and similar to the levels found in the EBs of ESCs. FACS analysis using integrin-${\alpha}6$, GFR-${\alpha}1$, CD90/Thy1 and immunocytochemistry using GFR-${\alpha}1$ antibody showed similar gene expression results. Therefore our results show that iPSC has the potential to differentiate into germ cells and suggest that a protocol optimizing germ cell induction from iPSC should be developed because of their potential usefulness in clinical applications requiring patient-specific cells.
Multipotent spermatogonial stem cells (mSSCs), derived from uni-potent SSC, are a type of reprogrammed cells with similar characteristics to embryonic stem cells (ESCs). The aim of this study was to evaluate the potential for transgenesis of mSSC derived from outbred mice and the production of transgenic animal by the mSSC-insertion into embryo. mSSCs, established from outbred mice (ICR strain) in the previous study, were maintained and then transfected with a lenti-viral vector expressing green fluorescent protein (GFP), CS-CDF-CG-PRE. Embryonic stem cells (ESCs) were derived from inbred transgenic mice (C57BL/6-Tg (CAG-EGFP)) and were used as an experimental control. Transfected mSSCs were well proliferated in vitro and maintained their characteristics and normal karyotype. Ten to twelve mSSCs and ESCs were collected and inserted into perivitelline space of 8-cell mouse embryos, and then transferred them into uteri of poster mothers after an additional 2-days of culture. Percentage of mSSC-derived offsprings was 4.8% (47/980) and which was lower than those (11.7% (67/572)) of ESC-derived ones (P<0.05). However, even though different genetic background of mSSC and ESC origin, the production efficiency of coat-colored chimeric offspring in mSSC group was not different when compared it with ESC (6.4% (3/47) vs. 7.5% (5/67)). From these results, we confirmed that mSSC derived from outbred mice has a pluripotency and a potential to produce chimeric embryos or mice when reaggregatation with mSSC is performed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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