人抑瘤素(Oncostatin) M与小鼠LIF在维持小鼠胚胎干细胞多能性和种系嵌合能力方面，拥有等效的功能

Joy Aho 1, Michael O’Connor 2, Elizabeth Hughes 3, Thom Saunders 3, Electra Coucouvanis 1, and Jessie Ni 1

摘要

在转基因和敲除研究中，维持多能性对利用小鼠胚胎干(ES)细胞至关重要。已经发现许多因子可以影响ES细胞的多能性,其中之一就表现在白血病抑制因子（LIF）对ES细胞培养的影响。关于抑瘤素M（OSM）能补偿LIF在ES细胞培养中的作用，对此存在不一致的报道。一些研究提示在维持ES细胞多能性方面，OSM不如LIF有效。然而，其他研究发现它们是等效的。在本研究中，我们证明在维持ES细胞多能性上，人OSM拥有与小鼠LIF相类似的功效，包括长期（超过10天）维持多能性、体外分化的能力、活化STAT3的能力和种系传递能力。我们的研究提示OSM可能是在早期胚胎发育中发挥作用的另一种因子，并且在小鼠ES细胞培养时，OSM可以被用作LIF的替代物。

抑瘤素M维持未分化ES细胞的形态

图1：LIF或OSM中长期培养后的细胞形态比较。（图A，C），细胞培养于103 U/mL的LIF中。（图B，D），细胞培养于10 ng/mL的OSM中。图A和图B是生长于辐射照过MEF细胞上的细胞，图C和图D是生长于明胶包被平板上的细胞。

图像摄于第6代，然而，细胞在OSM培养基中可以连续25代维持未分化形态。箭头所指是具有未分化形态的ES细胞克隆。所有图片在200倍镜下拍摄。

材料和方法

细胞培养：CJ7 ES细胞系由Tom Gridley赠予。高葡萄糖DMEM培养基另加15%胎牛血清（FBS），4 mM谷氨酰胺，10 μM 2-巯基乙醇，1% MEM非必需氨基酸，每毫升50 IU青霉素，每毫升50 μg链霉素，和每毫升103 U的LIF （ESGRO；Chemicon，Temecula CA）或者10 ng/mL的抑瘤素M（R&D Systems，目录#295-OM），以此培养ES细胞。细胞生长于辐射照过的小鼠胚胎滋养细胞（MEFs）上或者0.1%明胶包被的平板上。细胞每两天传代一次。

把106个细胞传到含有10%FBS，每毫升50 IU青霉素，每毫升50 μg链霉素，4 mM谷氨酰胺和DMEM培养基的6孔组织培养皿中，以此制备类胚体（EBs）。用培养基冲洗培养皿，分离细胞团。把细胞团转移至有盖培
养皿，然后每天更换培养基。要进行分化时，悬浮培养EBs 4至6天，然后转移0.1%明胶包被的24孔板，让细胞贴板生长7天，再进行免疫细胞化学实验或为RT-PCR提取RNA。

RT-PCR：用RNAeasy试剂盒（Qiagen），根据产品说明书从未分化的ES细胞和分化的EBs中提取RNA。使用Superscript First-Strand Synthesis System（Invitrogen），根据产品说明书，500 ng RNA通过随机六聚体引物进行逆转录。2 μL cDNA用作扩增模板。所有引物在55℃下退火，扩增35个循环。

免疫细胞化学：所用一抗（rtxh/mOct3/4；mxh/mSox2；gtxmNanog；mxβIIITubulin；mxhTroponinT和gtxhHNF3β）购于R&D Systems。细胞或EBs转养到24孔板中的盖玻片上。在室温下用4%多聚甲醛固定细胞20分钟，然后将细胞在含有1%BSA（PBA）的PBS中洗4次。用含有PBA溶解的0.1%Triton X-100的10%驴血清封闭细胞45分钟。然后加入10 μg/mL的一抗，孵育3个小时，之后把细胞在PBA中清洗三次，每次洗5分钟。然后，用5 μg/mL的NothernLightsTM557连接的二抗（R&D Systems）孵育细胞1个小时，然后如上清洗细胞。

STAT3活化水平：用Active STAT3 DuoSet IC试剂盒（R&D Systems）检测STAT3的活化水平。根据试剂盒说明书，用生长于或未生长于MEFs上的未分化ES细胞制备细胞核提取物。用Bradford检测对蛋白质进行定量分析。STAT3活化水平根据产品说明书而确定，然后根据总蛋白水平进行标准化处理。

小鼠嵌合体的生产：所有程序由密西根大学动物使用和照顾委员会批准。根据国家研究委员会关于实验动物照顾和使用指南概述的原则和程序对动物提供照顾。在含有LIF或者OSM的培养基中连续传代5次后，用胰蛋白酶处理细胞，然后将16个ES细胞显微注射到囊胚中。囊胚取自与C57BL/6J X DBA/2J/F1雄小鼠（The Jackson Laboratory，Bar Harbor，ME）交配的超数排卵的C57BL/6NCrl雌小鼠（Charles River Laboratories，Wilmington，MA）。注射当天，用标准方法把显微注射的囊胚转移到假孕的受体雌鼠体内。用嵌合体与C57BI/6J雌鼠交配来检测种系传递。

OSM vs. LIF培养的细胞拥有同等的多能性标识物

图2：103 U/mL LIF中生长的细胞以及10 ng/mL OSM中生长的细胞上多能性标识物的表达。在每种条件下细胞传16代。对于不用MEF的样品，11代细胞不生长在滋养细胞上。（图A），用生长在或不生长在MEFs上的LIF培养细胞或OSM培养细胞提取cDNA，对多能性标识物进行RT-PCR分析。GAPDH水平用作cDNA上样对照，没有逆转录的样品用作阴性对照。（图B-M），用生长于LIF中（图B，C，F，G，J和K）或生长于OSM中（图D，E，H，I，L和M），并且生长在MEFs上（图B，F，J，D，H和L）或者不生长在MEFs上（图C，G，K，E，I和M）的细胞，对多能性标识物进行免疫细胞化学检测。用针对相应标识物的一抗和适当的NorthernLightTM-557连接的二抗进行抗体染色。所有图片在400倍镜下拍摄。尺寸标尺相当于200 μm。

用OSM培养的ES细胞有能力分化为所有三个胚层的细胞

图3：103 U/mL LIF中生长的细胞或10 ng/mL OSM中生长的细胞均能分化为所有三个胚层。（图A），用从EBs抽提的cDNA进行分化标识物的RT-PCR分析，该EBs由在LIF或者OSM中生长并至少传17代的细胞制备。三个胚层的标识物是外胚层（Nestin and Otx-2），中胚层（Flk-1 and Mesp-1），和内胚层（Afp and Gata-4）。（图B-G），对分化于外胚层（βIII Tubulin），中胚层（HNF3β），和内胚层（Troponin T）的标识物进行免疫细胞化学分析。绿色指示阳性染色，蓝色是DAPI复染。所染细胞都衍生于EBs，该EBs由在LIF（图B，D和F）或者OSM（图C，E和G）中生长的细胞制备。用针对相应标识物的一抗和适当的NorthernLightsTM-557偶连的二抗进行抗体染色。所有图片在200倍镜下拍摄。尺寸标尺相当于200 μm。

LIF vs. OSM培养细胞的STAT3活化水平

图4：在无滋养细胞培养条件下，细胞生长于103 U/mL LIF或者10 ng/mL OSM，STAT3活化水平通过结合这些细胞的STAT3特异的寡核苷酸而测定。每条柱代表在第13代，15代和18代三次实验的平均值。“Neither”柱代表使用没在LIF或者OSM中生长的第3代细胞所作两次实验的平均值。误差线代表每组实验的置信区间。OSM或者LIF培养细胞的STAT3活化水平分别比没有OSM或者LIF培养细胞的STAT3活化水平高71%和77%。

抑瘤素M维持ES细胞的种系能力

表1：注射生长于103 U/ml LIF或者10 ng/ml OSM中的CJ7细胞，可以分别导致嵌合体产生和种系传递。CJ7 ES细胞注入C57BL/6NCrl宿主囊胚。用>50%嵌合性的雄性嵌合体与C57BL/6J交配，以此测试种系传递。

总结

我们试图确定抑瘤素M（OSM）（一种与LIF密切相关的细胞因子）是否可以模拟LIF维持胚胎干细胞（ES）多能性。通过判断嵌合体形成和种系嵌合传递，表达多能性标识物，以及体外分化的能力，我们证明了10 ng/ml OSM培养的与LIF培养的ES细胞拥有相类似的多能性。

OSM培养细胞的STAT3（LIF的下游分子）活化水平与LIF培养细胞的STAT3活化水平存在略微差异（图4）。因为那些细胞仍能维持多能性，所以我们猜测该差异不会明显影响STAT3下游的信号水平。OSM培养，但无MEFs滋养的细胞的Nanog RNA和蛋白质水平没有明显变化（图2），这进一步支持了我们的猜测。虽然之前认为Nanog在独立于STAT3的通路中，但是最近的证据表明Nanog是STAT3和LIF信号的直接目标分子（Suzuki, et al. 2006）。另外，我们发现当不用OSM和LIF培养细胞时，这些细胞的STAT3活化水平在三代之内就急剧降低，并且缺失多能细胞的形态。

除了我们研究表明LIF和OSM都是对早期胚胎发育重要的因子外，在植入期OSM和LIF均表达于子宫，这也预示LIF和OSM都是影响早期胚胎发育的重要因子（Fouladi-Nashta, et al. 2005）。缺失LIF或者OSM的敲除小鼠可以出生并存活至成年（Morikawa, et al. 2004; Fouladi-Nashta, et al. 2005）。这可能因为在胚胎发育早期这两种细胞因子可以互相补偿。