KR20190040479A - Method of confirming that direct reprogramming cell is in sate pluripotent stem cell - Google Patents

Method of confirming that direct reprogramming cell is in sate pluripotent stem cell Download PDF

Info

Publication number
KR20190040479A
KR20190040479A KR1020180120720A KR20180120720A KR20190040479A KR 20190040479 A KR20190040479 A KR 20190040479A KR 1020180120720 A KR1020180120720 A KR 1020180120720A KR 20180120720 A KR20180120720 A KR 20180120720A KR 20190040479 A KR20190040479 A KR 20190040479A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cells
oct4
brn4
cell
insc
Prior art date
Application number
KR1020180120720A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102117894B1 (en
Inventor
한동욱
강규리
Original Assignee
건국대학교 글로컬산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 건국대학교 글로컬산학협력단 filed Critical 건국대학교 글로컬산학협력단
Publication of KR20190040479A publication Critical patent/KR20190040479A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102117894B1 publication Critical patent/KR102117894B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/569Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for microorganisms, e.g. protozoa, bacteria, viruses
    • G01N33/56966Animal cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • C12Q1/6881Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for tissue or cell typing, e.g. human leukocyte antigen [HLA] probes

Abstract

The present invention relates to a method for confirming whether or not a pluripotent state has been passed through during a production process of an induced neural stem cell. The present invention can be effectively used not only for disease modeling related to the nervous system, neural stem cell differentiation and studies on development mechanism, but also as a technique for establishing an induced neural stem cell that does not go through a pluripotent state in the development of a cell therapy agent using the induced neural stem cell.

Description

교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법{METHOD OF CONFIRMING THAT DIRECT REPROGRAMMING CELL IS IN SATE PLURIPOTENT STEM CELL}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for identifying a cross-differentiated cell using a pluripotent cell,

본 발명은 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도신경줄기세포의 생산과정에서 만능성 상태를 경유하였는지 여부를 확인하는 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a method for confirming whether or not a pluripotent state has passed through the production process of an inducible neural stem cell.

최근 계통 특이적인 전사인자를 체세포에 도입하여, 세포의 형질을 전환시키는 기술(이하 교차분화)의 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 환자 특이적 치료용 세포를 생성하기 위해 유도만능줄기세포(induced pluripotent stem cell) 상태를 거쳐 원하는 타겟 세포로 분화시키던 방법과 달리, 교차분화 기술은 만능성 상태를 경유하지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 임상적 측면에서 미분화 잔류 세포의 혼입으로 인한 종양형성 문제를 배제할 수 있다는 점, 특정 세포 생산에 걸리는 시간이 짧고 그 과정이 단순하다는 점 등이 교차분화 기술의 장점으로 평가받고 있다. 이에 환자 특이적 섬유아세포나 소변세포를 이용해 다른 계통의 체세포, 혹은 전구세포로 유도하는 연구가 진행된 바 있다.Recently, research into the technique of transforming cell traits (hereinafter referred to as cross-differentiation) by introducing a systemic-specific transcription factor into somatic cells has been actively conducted. It is known that the cross-differentiation technique does not pass through the universal state, unlike the method in which an existing patient-specific therapeutic cell is differentiated into the desired target cell through an induced pluripotent stem cell state. Therefore, it is evaluated as a merit of cross-differentiation technology that the problem of tumor formation due to the incorporation of undifferentiated residual cells can be excluded from the clinical viewpoint, the time taken to produce specific cells is short, and the process is simple. Thus, studies have been conducted to induce somatic cells or progenitor cells of other lines using patient-specific fibroblasts or urine cells.

신경줄기세포는 뇌를 구성하는 대표적인 3가지 세포인 신경(neuron), 교세포(glial cell), 회돌기세포(Oligodendrocyte)로 분화할 수 있는 전구세포의 일종으로, 자가 복제와 분화를 통해 세 종류의 세포를 지속적으로 생성할 수 있다. 상기 언급한 교차분화 기술을 이용하여 체세포에서 직접 신경줄기세포를 생산하고 이를 바탕으로 전임상 및 질환기전연구 등이 활발하게 진행되고 있다.Neural stem cells are a type of precursor cells that can differentiate into three representative cells of the brain, neurons, glial cells, and oligodendrocyte. Can be continuously generated. Using the above-mentioned cross-differentiation technique, direct neural stem cells are produced from somatic cells, and preclinical and disease mechanism researches are actively conducted based on this.

본 연구진은 일련의 연구를 통해 유도만능줄기세포의 생산에 사용되는 유전자 중 하나인 Oct4를 Brn4로 대체하고 Klf4, Sox2, cMyc 유전자를 레트로 바이러스를 이용하여 체세포에 개별도입함으로써 체세포를 신경줄기세포로 교차분화시키는 기술을 개발하였고, 개발된 유도신경줄기세포는 형태, 유전자발현양상, 후생유전적 양상, 전기생리학적 특성, 체외 및 체내 분화능 등 다양한 측면에서 체내유래 신경줄기세포와 매우 유사한 양상과 기능성을 보였다.We used a series of studies to replace Oct4, one of the genes used in the induction of pluripotent stem cells, with Brn4, and introduce Klf4, Sox2, and cMyc genes into somatic cells using retroviruses to cross somatic cells with neural stem cells And the developed induction neural stem cells showed very similar pattern and function to the neural stem cells derived from the body in various aspects such as morphology, gene expression pattern, womb genetic pattern, electrophysiological characteristics, in vitro and in vivo differentiation ability.

2015년 타 연구진이 계통 추적 시스템을 적용하여, 교차분화를 통해 생성된 유도신경줄기세포가 만능성 상태를 경유하여 만들어졌음을 확인하였다. 해당 연구에서는 폴리시스트로닉 벡터(polycistronic vector)를 사용하여 본 연구진에서 사용했던 신경줄기세포 특이적 전사인자인 Brn4와 Klf4, Sox2, cMyc(이하 BKSM)을 형질도입하여 유도신경줄기세포를 생산하였고 그 과정에서 모든 유도신경줄기세포가 만능성 상태를 경유하였다고 보고하였다.In 2015, other researchers applied the systematic tracking system to confirm that the induction neural stem cells produced by crossing differentiation were made through the universal state. In this study, we used a polycistronic vector to transduce the neural stem cell-specific transcription factors Brn4 and Klf4, Sox2, and cMyc (BKSM), which were used in this study, to produce inducible neural stem cells. All of the induction neural stem cells were reported to have passed through the universal state.

이에 본 연구진은 폴리시스트로닉 벡터와 개별 벡터를 통해 도입된 BKSM이 체세포를 유도신경줄기세포로 전환을 유도하는 과정을 관찰하였고, 두 가지 계통 추적 시스템을 적용하여 유도신경줄기세포 생산과정에서 만능성 상태 경유 여부를 검증하였다.In this study, we observed that BKSM, which is introduced through poly-systolic vector and individual vector, induces the conversion of somatic cells into inducible neural stem cells. We applied two systematic tracing systems to induce pluripotent stem cells Respectively.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법을 확립하고 이에 대하여 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention have established a method for verifying the universal state of cross-differentiated cells and solved the problems of the prior art as described above.

이에, 본 발명은 유도신경줄기세포의 생산과정에서 만능성 상태를 경유하였는지 여부를 확인하는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method for confirming whether or not a pluripotent state has passed through the production process of induction neural stem cells.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.

본 발명의 일 양태는 다음 단계를 포함하는 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법이다:One aspect of the present invention is a universal state dystrophic identification method of crossed differentiating cells comprising the steps of:

Oct4 프로모터에 작동가능하게 연결된 CRE(Cre-recombinase) 유전자 코딩 핵산서열, 상기 CRE 유전자 활성화에 의해 제거되는 loxP 코딩 핵산서열, 및 loxP 제거 시 발현되는 형광 단백질 코딩 핵산서열을 포함하는 체세포를 준비하는 체세포 준비 단계;(Cre-recombinase) gene coding sequence operably linked to the Oct4 promoter, a loxP coding nucleic acid sequence removed by the CRE gene activation, and a somatic cell containing a fluorescent protein coding nucleic acid sequence expressed upon loxP removal Preparation phase;

상기 체세포에 Brn4, Klf4, Sox2 및 cMyc를 코딩하는 핵산 서열을 개별적으로 코딩하는 각각의 벡터를 도입하는 형질 도입 단계; 및A transfection step of introducing into said somatic cell each vector that individually codes a nucleic acid sequence encoding Brn4, Klf4, Sox2 and cMyc; And

상기 체세포를 배양하여 형광이 발현되면 교차분화세포가 만능성 상태를 경유하여 생성되었다고 판단하는 판단 단계.And determining that the crossed differentiated cells are generated via the pluripotent state when the somatic cells are cultured and fluorescence is expressed.

상기 형광 단백질은 EYFP(Enhanced yellow fluorescent protein)일 수 있다.The fluorescent protein may be EYFP (Enhanced yellow fluorescent protein).

상기 체세포는 섬유아세포인 것일 수 있다.The somatic cells may be fibroblasts.

상기 교차분화세포는 유도신경줄기세포인 것일 수 있다.The cross-differentiated cells may be induction neural stem cells.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 신경계에 관련된 질환 모델링, 신경줄기세포 분화 및 발달 메커니즘 연구 등에 유용하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 유도신경줄기세포를 이용한 세포치료제를 개발하는데 있어 만능성 상태를 거치지 않는 유도신경줄기세포 확립 기술로 활용할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, not only can it be used for disease modeling related to the nervous system, neural stem cell differentiation and development mechanism studies, but also induction of inducible neural stem cells that do not go through a universal state in the development of a cell therapy agent using induction neural stem cells There is an effect that can be utilized as technology.

도 1a는 Oct4-CreER를 사용하여 섬유아세포로부터 iNSCs로 직접 교차분화하는 과정의 추적 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 1b는 pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환된 MEF로부터 최초의 iNSC 클러스터 및 생성된 iNSC의 형태를 나타낸 사진이다.
도 1c는 pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환되어 파생된 iNSC 라인에서 NSC 및 섬유아세포 특이적 마커 발현을 qPCR 분석을 통해 확인한 그래프이다.
도 1d는 pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환되어 파생된 iNSC 라인의 면역형광염색 결과 사진이다.
도 1e는 pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환되어 파생된 iNSC 라인에 대한 직접적(Olig2 + / EYFP-) 또는 간접적(Olig2 + / EYFP +)으로 생성된 iNSC의 수를 확인하기 위한 FACS 분석 결과이다.
도 1f는 pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환되어 파생된 iNSC 라인의 유전자 발현 패턴을 보여주는 히트 맵 분석 결과이다. 유전자 발현 프로파일을 기반으로 한 계층적 클러스터링 분석이 상단에 표시됩니다. MEFs와 cNSC 대조군 사이에서 FC = 4 인 차별적으로 발현 된 유전자와 적어도 하나의 표본에서 FPKM = 1이 그려졌다.
도 1g는 EYFP-pcOKSM 및 pcBKSM iNSC의 면역형광염색 결과 사진이다.
도 1h는 EYFP-iNSCs의 qPCR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2a는 클로날 mcBKSM에 의해 생성된 iNSC 라인에 대한 면역형광염색 결과 사진이다.
도 2b는 두 클로날 mcBKSM iNSC 라인에 대하여, 섬유아세포 및 NSC 대조군에 대한 글로벌 유전자 발현 패턴의 계층적 클러스터링 히트 맵을 나타낸 결과이다.
도 2c는 섬유아세포, NSC 대조군 및 4개의 mcBKSM 매개 iNSC 클론에서 Nestin의 두 번째 인트론 및 Col1a1의 프로모터 영역의 DNA 메틸화 상태를 바이설파이트 시퀀싱 PCR로 확인한 결과이다.
도 2d는 확립된 클로날 mcBKSM 매개 iNSC 라인(passage 5)에서 개별 레트로 바이러스 전이 유전자의 발현 수준을 qPCR에 의해 분석한 결과 그래프이다.
도 2e는 클로날 mcBKSM iNSC 라인의 직접적 (Olig2 + / EYFP-) 및 간접적으로 (Olig2 + / EYFP +) 생성된 iNSC의 수를 나타낸 FAC분석 결과이다.
도 2f는 클로날 mcBKSM iNSC 라인의 mcOKSM- 또는 mcBKSM- 전달된 MEF의 대량 개체수를 결정하기 위한 감염 25일 후의 FACS 분석 결과이다.
도 3a는 pcOKSM, pcBKSM, mcOKSM 또는 mcBKSM으로 형질도입된 MEF에서의 다능성 마커의 시간 경과 qPCR 분석 결과 그래프이다.
도 3b는 pcOKSM, pcBKSM, mcOKSM 또는 mcBKSM으로 형질도입된 MEF에서의 NSC- 마커의 시간 경과 qPCR 분석 결과 그래프이다.
도 3c는 도메인 교환에 의한 일련의 상호 Oct4-Brn4 키메라의 생성을 나타낸 모식도이다.
도 3d는 Oct4, Brn4 또는 Oct4-Brn4 키메라 단백질로 MEF를 리프로그래밍한 효율을 측정하기 위하여 GFP + 콜로니 수를 계수한 결과 그래프이다.
도 3e는 mcOKSM 또는 mcBKSM으로 MEF에 형질도입 3주 후 전체 세포 집단의 FACS 분석 결과이다.
도 3f는 레트로 바이러스 전이 유전자 Oct4, Brn4 및 키메라 컨스트럭트를 발현하는 레트로 바이러스 벡터의 qPCR 적정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3g는 tet-유도성 pcOKSM, pcBKSM 또는 pOct1-KSM으로 유도 후 8일 또는 14일 후 리프로그래밍된 Oct4-GFP MEF의 대표 이미지를 나타낸 사진이다.
도 3h는 dox-유도된 높은(H), 중간(M) 및 낮은(L) 수준을 사용하여 tet-유도성 pPOU-KSM 컨스트럭트와 Oct4-GFP MEFs의 리프로그래밍 결과 그래프이다.
도 3i는 폴리 및 모노시스트로닉 전달 시스템으로 리프로그래밍함으로써 달성되는 iNSC로의 체세포의 분기 경로를 설명하는 모식도이다.
도 4a는 STEMCCA 구조 내에서 POU 인자와 Klf4 사이의 F2A자가 절단 펩타이드를 보다 효율적인 자체 절단 인자 P2A, 절단 불가능한 돌연변이 F2A(F2Am) 또는 합성 글리신 링커(GL)로 대체하였음을 나타낸 모식도이다.
도 4b는 3xFLAG로 N 말단에 표지된 POU 인자가 야생형 P2A, F2A 또는 절단 불가능한 F2Am 펩타이드에 의해 Klf4로부터 분리된 Oct4 및 Brn4-Klf4 카세트로 형질도입된 MEF에 대하여 FLAG 항체를 사용한 웨스턴 블랏 분석 결과이다.
도 4c는 5 passages 후 POU3-F2Am-KSM 카세트로 생성된 클로날 iPSC 라인을 확인한 사진이다..
도 4d는 POU3-F2Am-KSM 카세트로 생성된 클로날 iPSC 라인의 PCR 확인 결과 사진이다.
도 4e는 KSM과 함께 다른 펩타이드에 의해 연결된 POU-Klf4 컨스트럭트를 갖는 Oct4-GFP MEF의 리프로그래밍 효율은 유도 1 및 2 주 후에 GFP + 콜로니 수를 계수함으로써 측정하였다.
도 4f는 완전히 절단 가능한 Oct4 및 Brn4-P2A-KSM 폴리시 스템 카세트를 갖는 Oct4-GFP MEF의 리프로그래밍 및 리프로그래밍이 결핍된 Brn4-P2A-KSM 복원을 시도하는 추가 컨스트럭트와의 조합을 나타낸 그래프이다.
도 4g는 KSM과 함께 3xFlag-POU-Klf4로 유도된 4일째에 리프로그래밍된 MEF의 항-FLAG 항체를 이용한 크로마토그래피 면역침전(ChIP)-qPCR 분석한 그래프이다.
FIG. 1A is a schematic diagram showing a tracking system for directly crossing differentiation from fibroblasts to iNSCs using Oct4-CreER. FIG.
1B is a photograph showing the shape of the first iNSC cluster and the generated iNSC from the MEF transformed with pcOKSM and pcBKSM.
FIG. 1C is a graph showing the expression of NSC and fibroblast-specific markers in the iNSC line transformed with pcOKSM and pcBKSM through qPCR analysis.
Figure 1D is a photograph of immunofluorescent staining of iNSC lines transformed with pcOKSM and pcBKSM.
FIG. 1E is a FACS analysis result for confirming the number of iNSCs generated directly (Olig2 + / EYFP-) or indirectly (Olig2 + / EYFP +) on the iNSC line transformed with pcOKSM and pcBKSM.
1F is a heat map analysis showing gene expression patterns of iNSC line transformed with pcOKSM and pcBKSM. Hierarchical clustering analysis based on gene expression profiles is displayed at the top. FPKM = 1 was drawn from at least one sample and a differentially expressed gene with FC = 4 between MEFs and the cNSC control.
Figure 1G is a photograph of immunofluorescent staining of EYFP-pcOKSM and pcBKSM iNSC.
1 h is a graph showing the results of qPCR analysis of EYFP-iNSCs.
FIG. 2A is a photograph of the result of immunofluorescence staining for the iNSC line generated by clonal mcBKSM.
Figure 2B shows the hierarchical clustering heatmap of the global gene expression pattern for fibroblasts and NSC control against the dicrobial mcBKSM iNSC line.
FIG. 2C shows the DNA methylation status of the promoter region of Nestin's second intron and Col1a1 in fibroblasts, NSC control, and four mcBKSM-mediated iNSC clones by bisulfite sequencing PCR.
Figure 2d is a graph of qPCR analysis of expression levels of individual retroviral transgene genes in an established clonal mcBKSM-mediated iNSC line (passage 5).
Figure 2E is a FAC analysis showing the number of iNSCs generated directly (Olig2 + / EYFP-) and indirectly (Olig2 + / EYFP +) in the clonal mcBKSM iNSC line.
Figure 2f shows the results of FACS analysis after 25 days of infection to determine the mass population of mcOKSM- or mcBKSM-transferred MEFs of the clonal mcBKSM iNSC line.
Figure 3a is a graph of time course qPCR analysis of versatile markers in MEF transduced with pcOKSM, pcBKSM, mcOKSM or mcBKSM.
Figure 3b is a graph of time course qPCR analysis of NSC-markers in MEF transduced with pcOKSM, pcBKSM, mcOKSM or mcBKSM.
Figure 3c is a schematic diagram showing the generation of a series of reciprocal Oct4-Brn4 chimeras by domain exchange.
FIG. 3D is a graph of the number of GFP + colonies counted to determine the reprogrammed efficiency of MEFs with Oct4, Brn4 or Oct4-Brn4 chimeric proteins.
Figure 3e shows the results of FACS analysis of the whole cell population three weeks after transfection into MEF with mcOKSM or mcBKSM.
FIG. 3f is a graph showing the results of qPCR titration of the retroviral transgene genes Oct4, Brn4 and the retroviral vector expressing the chimeric construct.
Figure 3g is a representative image of Oct4-GFP MEF reprogrammed 8 or 14 days after induction with tet-inducible pcOKSM, pcBKSM or pOct1-KSM.
Figure 3h is a graph of reprogramming results of tet-inducible pPOU-KSM construct and Oct4-GFP MEFs using dox-induced high (H), intermediate (M), and low (L) levels.
Figure 3i is a schematic diagram illustrating branching pathways of somatic cells to iNSC achieved by reprogramming into a poly and monosystronic delivery system.
Figure 4A is a schematic diagram showing that the F2A self-cleaving peptide between the POU factor and Klf4 in the STEMCCA structure was replaced with a more efficient self-cleaving factor P2A, a mutable F2A mutant (F2Am) or a synthetic glycine linker (GL).
Figure 4B is a Western blot analysis of FLAG antibodies against MEF transduced with 3xFLAG and N-terminal labeled POU factor with Oct4 and Brn4-Klf4 cassettes isolated from Klf4 by wild-type P2A, F2A or non-cleavable F2Am peptide .
Figure 4c is a photograph of the clonal iPSC line generated by the POU3-F2Am-KSM cassette after 5 passages.
4D is a photograph of PCR result of the clonal iPSC line generated with the POU3-F2Am-KSM cassette.
Figure 4e shows the reprogramming efficiency of Oct4-GFP MEF with POU-Klf4 construct linked by different peptides with KSM was determined by counting GFP + colonies after 1 and 2 weeks of induction.
Figure 4f is a graph showing a combination of Oct4-GFP MEFs with fully cutable Oct4 and Brn4-P2A-KSM polystyrene cassettes and additional constructs attempting to restore Brn4-P2A-KSM deficient in reprogramming and reprogramming to be.
FIG. 4g is a graph showing chromatographic immunoprecipitation (ChIP) -qPCR analysis of anti-FLAG antibody of MEF reprogrammed on day 4 with 3xFlag-POU-Klf4 together with KSM.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: 선형 추적 시스템으로 확인한  1: Linear tracking system 섬유 아세포의Fibroblast iNSCs로의to iNSCs 직접적인 전환 Direct conversion

직접적인 분화 과정을 통해 iNSC를 얻을 수 있는지 여부는 의문의 여지가 있다. 공지된 연구에서 유전적인 계통 추적을 사용하지 않았기 때문에, 리프로그래밍 실험 과정에서 나타나는 다능성 상태를 놓칠 수 있었다. 또한, 널리 사용되는 STEMCCA 리프로그래밍 카세트에 기초한 폴리시스트로닉 렌티 바이러스 벡터를 사용하였다. 따라서 다능성의 결정적인 지표인 내인성 Oct4의 발현을 위해 유전적 계통 추적을 사용하여 두 가지 유전자 전달 시스템을 비교하기로 결정하였다. 실험의 첫 번째 세트에서는 Rosa26-loxSTOPlox- 디프테리아 독소 A 단편 대립 유전자(R26-ls1-DTA)와 함께 타목시펜 유도성 Oct4-CreER 대립 유전자를 보유한 마우스 배아 섬유아세포(MEFs)를 사용하였다.Whether or not an iNSC can be obtained through a direct differentiation process is questionable. Because we did not use genetic tracing in the known studies, we were able to miss the versatile state of reprogramming experiments. Polysystolic lentiviral vectors based on the widely used STEMCCA reprogramming cassettes were also used. Therefore, we decided to compare two gene delivery systems using genetic tracing for the expression of endogenous Oct4, a crucial indicator of versatility. In the first set of experiments, mouse embryonic fibroblasts (MEFs) carrying a tamoxifen-inducible Oct4-CreER allele with Rosa26-loxSTOPlox-diphtheria toxin A fragment allele (R26-ls1-DTA) were used.

사용된 모든 마우스는 건국 대학교(KU)의 마우스 시설에서 사육되고 보관되었으며, 동물 취급은 KU 동물 보호 지침에 따라 수행되었다. Oct4-CreER 마우스(스톡 넘버: 016829, Jackson Laboratory)를 Rosa26-lox-STOP-lox-EYFP 마우스(스톡넘버 : 006148)와 교배시켰다. MEFs는 주의 깊게 머리와 척수를 포함한 모든 내부 기관을 제거한 후 수정 후 13.5 일에 Oct4-CreER X Rosa26-loxSTOPlox-EYFP 마우스 배아에서 얻었다. 10% FBS(Biowest), 5 ml의 페니실린/스트렙토마이신/글루타민 (Invitrogen), 5 ml의 MEM NEAA 용액(Invitrogen)을 포함하는 DMEM(Biowest)에서 MEF 배지 500 ml로 정확한 유전자형을 유지하였다. Oct4-CreER x Rosa26-loxSTOPlox-DTA 마우스의 MEF는 Konrad Hochedlinger 교수(Harvard Stem Cell Institute)의 연구실에서 받았다.All of the mice used were kept and kept in the mouse facility of Konkuk University (KU), and animal handling was carried out in accordance with the KU animal protection guidelines. Oct4-CreER mouse (stock number: 016829, Jackson Laboratory) was crossed with Rosa26-lox-STOP-lox-EYFP mouse (stock number: 006148). MEFs were obtained from Oct4-CreER X Rosa26-loxSTOPlox-EYFP mouse embryos at 13.5 days after fertilization, after careful removal of all internal organs including head and spinal cord. The correct genotype was maintained in 500 ml of MEF medium in DMEM (Biowest) containing 10% FBS (Biowest), 5 ml penicillin / streptomycin / glutamine (Invitrogen) and 5 ml MEM NEAA solution (Invitrogen). The MEF of Oct4-CreER x Rosa26-loxSTOPlox-DTA mouse was obtained from Prof. Konrad Hochedlinger (Harvard Stem Cell Institute).

추출한 체세포는 Oct4를 발현할때, Oct4 프로모터에 의해 Cre-recombinase를 발현한다. 생산된 Cre-recombinase는 4-OHT가 처리된 조건 하에서 활성화 되어 loxP를 인지 및 제거한다. 최종적으로 loxP와 함께 stop 코돈이 함께 제거되어, Diphtheria toxin A(DTA) 유전자가 발현하게 되고, DTA는 리보솜의 단백질 합성 과정을 억제, 세포을 유도한다. 즉, 본 이중 유전자 조작 계통 추적 시스템에서는 Oct4를 한번이라도 발현할 경우 세포 사멸에 이르게 된다.The extracted somatic cells express Cre-recombinase by the Oct4 promoter when expressing Oct4. The produced Cre-recombinase is activated under 4-OHT treated conditions to recognize and remove loxP. Finally, the stop codon is removed together with loxP, and Diphtheria toxin A (DTA) gene is expressed. DTA inhibits the protein synthesis process of ribosome and induces the cell. In other words, this double gene control system leads to apoptosis when at least one expression of Oct4 is expressed.

폴리시스트로닉 벡터를 사용하여 iNSC를 생성하기 위해 5 x 104 MEFs는 pcOKSM 또는 pcBKSM에 대한 렌티바이러스 인코딩으로 감염되었다. 배양 24시간 후, 배지를 3 ug/ml의 dox를 함유하는 NSC 배지로 대체하였다. pcOKSM 또는 pcBKSM으로 유도한 지 7-8일 후, 세포를 dox 처리하지 않은 NSC 배지에서 23 내지 24일 동안 배양하여 초기 iNSC 클러스터를 팽창시켰다. 4-하이드록시타목시펜(4-OHT) 1 uM을 배양 배지에 연속적으로 첨가하였다.5 x 10 4 MEFs were infected with lentivirus encoding for pcOKSM or pcBKSM to generate iNSC using the polystronic vector. After 24 hours of incubation, the medium was replaced with NSC medium containing 3 ug / ml of dox. After 7-8 days of induction with pcOKSM or pcBKSM, cells were grown in NSC medium without dox treatment for 23-24 days to inflate the initial iNSC clusters. 1 uM of 4-hydroxy tamoxifen (4-OHT) was added successively to the culture medium.

개별 레트로 바이러스 벡터 매개 iNSC를 생성하기 위해, MEFs는 mcOKSM 또는 mcBKSM을 암호화하는 개별 레트로 바이러스 입자로 형질 도입되고 통상적으로 배양되었다. 간단히 말해, 5 Х 104 섬유아세포를 젤라틴 코팅 35 mm 접시 위에 도말하고, 친환경 레트로 바이러스로 배양하였다. 배양 48시간 후, 레트로 바이러스 입자를 함유하는 배지를 NSC 배지로 대체하였다. iNSC를 풍부하게 하기 위해, 리프로그래밍되지 않은 섬유아세포 또는 부적절한 세포는 제거하였다.To generate individual retroviral vector-mediated iNSCs, MEFs were transfected with individual retroviral particles encoding mcOKSM or mcBKSM and routinely cultured. Briefly, 5 × 10 4 fibroblasts were plated on gelatin-coated 35 mm dishes and cultured with eco-friendly retroviruses. After 48 hours of incubation, the medium containing the retrovirus particles was replaced with NSC medium. To enrich iNSC, unreprogrammed fibroblasts or inappropriate cells were removed.

클론 iNSC 라인을 확립하기 위해 iNSC 벌크 배양물을 SSEA1에 대해 염색하고, SSEA1 + 단일 세포를 BD FACSAriaTM(BD Biosciences)를 사용하여 분류하여 라미닌/폴리-D-라이신-코팅된 96-웰 플레이트 상에 플레이팅 하였다. 2% B27(Gibco), 10 ng/ml EGF(Peprotech), 10 ng/ml bFGF(Peprotech) 및 1% BFGF가 첨가된 DMEM/F-12를 NSC 배양 배지에서 유지시켰다.INSC bulk cultures were stained for SSEA1 to establish clone iNSC lines and SSEA1 + single cells were sorted using BD FACSAria (BD Biosciences) and plated on laminin / poly-D-lysine-coated 96-well plates Plated. DMEM / F-12 supplemented with 2% B27 (Gibco), 10 ng / ml EGF (Peprotech), 10 ng / ml bFGF (Peprotech) and 1% BFGF was maintained in NSC culture medium.

뉴런으로의 분화를 위해, iNSCs는 NSC 배지에서 2.5 Х 104 세포 / cm2의 라미닌/폴리라이신-코팅된 접시 위에 도말되었다. 다음날, 배지를 신경 분화 배지: 2% B27(Gibco), 1% 페니실린/스트렙토마이신/글루타민(Invitrogen) 및 10 ng/ml bFGF(Peprotech)가 보충된 DMEM/F-12로 대체하였다. 분화 4일째, 배지는 성장 인자가 없는 200 mM 아스코르빈산(Sigma)을 함유하는 신경 분화 배지로 8-10일 동안 더 배양되었다. 성상 세포로의 분화를 위해, iNSCs를 젤라틴 코팅 배양 접시에서 10% FBS 및 1% 페니실린/스트렙토마이신/글루타민이 보충된 DMEM/F-12에서 5일 동안 배양하였다.For differentiation into neurons, iNSCs were plated on 2.5 x 10 4 cells / cm 2 laminin / polylysine-coated plates in NSC medium. The following day, the medium was replaced with DMEM / F-12 supplemented with neural differentiation medium: 2% B27 (Gibco), 1% penicillin / streptomycin / glutamine (Invitrogen) and 10 ng / ml bFGF (Peprotech). On the fourth day of differentiation, the medium was further cultured for 8-10 days with neural differentiation medium containing 200 mM ascorbic acid (Sigma) without growth factor. For differentiation into astrocytes, iNSCs were cultured in gelatin-coated culture dishes for 5 days in DMEM / F-12 supplemented with 10% FBS and 1% penicillin / streptomycin / glutamine.

마지막으로, oligodendrocytes로 차별화하여, iNSCs은 NSC 매체 2.5 Х 104 세포/cm2에서 laminin/polylysine-코팅 접시에 도금하였다. 다음날, 희석 돌기 세포 분화 배지: 2% B27, 1% 페니실린/스트렙토마이신/글루타민, 10 ng/ml bFGF 및 10 ng/ml PDGF(Sigma)가 첨가된 DMEM/F-12로 배지를 교체하였다. 분화 4일째에, 배지를 30 ng/ml의 T3(시그마) 및 200 mM 아스코르빈산을 포함하는 희소 돌기 아교 세포 분화 배지로 4일 더 배양 하였다. 차별화 배지는 격일로 교체되었다.Finally, differentiated into oligodendrocytes, iNSCs were plated on laminin / polylysine-coated plates at 2.5 x 10 4 cells / cm 2 in NSC medium. The following day, the medium was replaced with DMEM / F-12 supplemented with 2% B27, 1% penicillin / streptomycin / glutamine, 10 ng / ml bFGF and 10 ng / ml PDGF (Sigma). On the fourth day of differentiation, the medium was further cultured for 4 days with a ridgeline glue cell differentiation medium containing 30 ng / ml of T3 (Sigma) and 200 mM ascorbic acid. Differentiation badges were replaced every other day.

대조군 MEF에서는 어떠한 형태학적 변화도 관찰하지 못했다. 이 전 세포를 NSC 마커(이하 DTA-iNSCs, 그림 S1C-S1D)를 발현하는 안정한 iNSC 라인으로 확장시켰다. 이 계통을 유전자형으로 분석하면 pcBKSM, Oct4-CreER 및 R26-lsl-DTA가 통합되어 드물게 생존한 DTA-iNSC가 다능성 상태를 통과하지 않았음을 알 수 있었다.No morphological changes were observed in the control MEF. This whole cell was expanded to a stable iNSC line expressing the NSC marker (hereinafter DTA-iNSCs, Fig. S1C-S1D). Analysis of this lineage genotype revealed that pcBKSM, Oct4-CreER and R26-lsl-DTA were integrated and rarely survived DTA-iNSC did not pass through the pluripotent state.

전체 게놈 전사 프로파일링 결과, DTA-iNSCs의 유전자 발현 양상은 대조군 NSC와 유사하지만 MEF를 시작한 유전자 발현 양상과는 다르다는 것을 보여 주었다. Tuj1, GFAP 및 MBP 각각에 대한 면역 염색에 의해 입증된 바와 같이, 뉴런, 성상 세포 및 희소 돌기 아교 세포를 생성하기 위한 DTA-iNSC의 시험관내 분화능을 확인하였다.All genome transcript profiling results showed that the gene expression pattern of DTA-iNSCs was similar to the control NSC, but different from that of MEF-initiated gene expression. The in vitro potency of DTA-iNSC to produce neurons, astrocytes and rare dendritic glial cells was verified, as evidenced by immunostaining for Tuj1, GFAP and MBP, respectively.

마지막으로, 생성된 세포의 생체 내 기능을 검사하기 위해 1 Х 106 GFP로 표지 된 DTA-iNSC를 쥐의 두뇌 피질 영역에 이식했다. 이식 4주 후, 이식 된 DTA-iNSCs는 뉴런 (GFP + / DCX1 +), 성상 교세포 (GFP + / GFAP +) 및 희소 돌기 아교 세포 (GFP + / NG2 +)의 세 가지 신경 세포 유형으로 분화되었다. 선행 연구에서처럼 이식된 쥐의 어떤 세포에서도 종양 형성의 증거를 발견하지 못했다.Finally, DTA-iNSC labeled with 1 Х 10 6 GFP was transplanted into the rat cerebral cortex to examine the in vivo function of the resulting cells. After 4 weeks of transplantation, the transplanted DTA-iNSCs were differentiated into three neuronal cell types: neurons (GFP + / DCX1 +), astrocytes (GFP + / GFAP +) and rare dendritic glial cells (GFP + / NG2 + . As in previous studies, no evidence of tumor formation was found in any of the cells of the transplanted rats.

종합하면, MEFs가 반드시 Oct4 + iPSC 유사 상태를 통과하지 않고 기능적으로 성숙한 iNSC로 직접 변환될 수 있음을 시사한다. 그러나 직접 변환 과정의 전환 효율 (10 개의 개별 감염에서 2 iNSC 라인)이 상대적으로 낮다는 것을 고려할 때, DTA가 불완전한 Cre 재조합으로 인해 활성화되지 않은 소수의 Oct4 + 세포가 iNSC에 기여했을 가능성을 배제할 수 없다.Taken together, this suggests that MEFs can be converted directly into functionally mature iNSC without necessarily passing the Oct4 + iPSC similarity. However, considering that the conversion efficiency of the direct conversion process (2 iNSC lines in 10 individual infections) is relatively low, we exclude the possibility that a small number of Oct4 + cells, which were not activated due to incomplete Cre recombination, contributed to iNSC I can not.

실시예 2: 폴리시스트로닉 BKSM으로 유도된 iPSC 유사 상태Example 2: iPSC similarity induced by polysystronic BKSM

직접 또는 간접 리프로그래밍에 의해 생성된 iNSC(induced neural stem cells)의 수를 정량화하기 위해, 도 1a와 같이 DTA 대신에 R26-IL-EYFP를 운반하는 계통 추적 시스템을 사용하였다. 이 시스템은 EYFP 리포터의 활성화를 조사하여 직접 및 간접적으로 생성된 iNSC를 구별 가능하게 하였다.To quantify the number of induced neural stem cells (iNSCs) generated by direct or indirect reprogramming, a systematic tracking system carrying R26-IL-EYFP was used instead of DTA as in Figure 1A. The system examined the activation of the EYFP reporter and made it possible to distinguish between directly and indirectly produced iNSCs.

구체적으로, Oct4-CreER 대립유전자를 가지고 있는 유전자 조작 생쥐(이하 Oct4-CreER)와 Rosa26-loxP-stop-loxP-EYFP 유전자를 가지고 있는 유전자 조작 생쥐(이하 R26-lsl-EYFP)의 교배를 통해, Oct4-CreER 대립유전자와 Rosa26-lsl-EYFP 유전자를 함께 가지고 있는 이중 유전자 조작 생쥐를 생성한다. 생성된 이중 유전자 조작 생쥐는 수정된 뒤 13.5일 이후 모체로부터 분리되어 일반체세포를 추출한다. 추출된 체세포는 위에서 서술한 바와 같이, 4-OHT 처리 조건 하에서 Oct4를 발현할 경우 EYFP(Enhanced yellow fluorescent protein)를 발현한다. 즉, 본 이중 유전자 조작 계통 추적 시스템에서는 Oct4를 한번이라도 발현할 경우, EYFP를 발현하게 된다.Specifically, by crossing a transgenic mouse (Oct4-CreER) carrying the Oct4-CreER allele with a gene-knocked mouse (R26-lsl-EYFP) carrying the Rosa26-loxP-stop-loxP- A double genetically engineered mouse bearing the Oct4-CreER allele and the Rosa26-lsl-EYFP gene is generated. The generated double-genetically engineered mice are isolated from the mother after 13.5 days of fertilization and extract normal somatic cells. The extracted somatic cells express EYFP (Enhanced yellow fluorescent protein) when Oct4 is expressed under 4-OHT treatment conditions as described above. That is, in this double gene control system, expression of EOFP is expressed when at least once Oct4 is expressed.

레트로바이러스 개별 벡터를 매개로, 혹은 폴리시스트로닉 벡터를 이용하여 BKSM(Brn4 + Klf4 + Sox2 + cMyc)을 이중 유전자 조작 체세포(MEFs, mouse embryonic fibroblats)에 48시간 동안 도입한 뒤, 신경줄기세포 특이적인 배양액(Neural stem cell culture medium; NSC)에서 배양하였다. 약 3주 후 신경세포 형태를 가진 유도신경줄기세포가 생성되는 것을 확인하였고, 5 - 7주 사이 유세포분석을 통해 EYFP는 발현하지 않으면서, SSEA1만 발현하는 세포만을 선택적으로 분리해 유도신경줄기세포 세포주를 확립하였다.BKSM (Brn4 + Klf4 + Sox2 + cMyc) was introduced into MEFs (mouse embryonic fibroblats) for 48 hours via a retroviral individual vector or by using a poly-systic vector, and then neural stem cell specific And cultured in Neural stem cell culture medium (NSC). After about 3 weeks, it was confirmed that induction of neural stem cells with neuronal morphology was observed. During 5 to 7 weeks, EYFP was not expressed by flow cytometry, and only SSEA1-expressing cells were selectively isolated to induce inducible neural stem cell line Respectively.

도 1b에서 확인할 수 있듯이, 2주 간의 pcOKSM(polyclonal, Oct4 + Klf4 + Sox2 + cMyc) 및 pcBKSM 유도 후 전형적인 NSC 형태가 나타났다(스케일 바, 50 um).As shown in Fig. 1b, typical NSC forms (scale bar, 50 [mu] m) after two weeks of pcOKSM (polyclonal, Oct4 + Klf4 + Sox2 + cMyc) and pcBKSM induction were observed.

면역형광염색을 위하여 세포를 실온에서 20분 동안 4% 파라포름알데히드 (Sigma)로 고정시킨 후, 실온에서 2시간 동안 0.3% Triton X-100(Sigma) 및 5% FBS(Biowest)를 함유한 Dulbecco 's PBS(Biowest)에 처리하였다. 그 다음 세포를 4℃에서 16시간 동안 1차 항체와 함께 배양하고, PBS로 3회 세척한 다음, 암실에서 실온에서 2시간 동안 적절한 형광-접합된 2차 항체로 배양하였다. 핵은 Hoechst 33342(Sigma)로 염색되었다(마우스 anti-Nestin(Millipore, 1:200), 염소 anti-Sox2(Santa Cruz Biotechnology, 1:200), 마우스 anti-SSEA1(Santa Cruz Biotechnology, 1:100), 토끼 마우스 anti-Tuj1(Covance, 1:500), 토끼 항-GFAP(DAKO, 1:500), 래트 항-MBP(Abcam, 1:100) 및 래트 안티-Nanog(eBioscience, eBioMLC-51, 1:1000)).Cells were fixed with 4% paraformaldehyde (Sigma) for 20 min at room temperature for immunofluorescence staining and then stained with Dulbecco's (Sigma) solution containing 0.3% Triton X-100 (Sigma) and 5% FBS gt; PBS < / RTI > (Biowest). The cells were then incubated with the primary antibody for 16 h at 4 째 C, washed three times with PBS and then incubated in the dark room for 2 h at room temperature with the appropriate fluorescent-conjugated secondary antibody. Nuclei were stained with Hoechst 33342 (Sigma) (mouse anti-Nestin (Millipore, 1: 200), goat anti-Sox2 (Santa Cruz Biotechnology, 1: 200), mouse anti- SSEA1 (Santa Cruz Biotechnology, , Rabbit anti-Tuj1 (Covance, 1: 500), rabbit anti-GFAP (DAKO, 1: 500), rat anti- MBP (Abcam, 1: 100) and rat anti-NANOG (eBioscience, eBioMLC-51, : 1000)).

도 1c 및 1d에서 확인할 수 있듯이, 첫 번째 세포 클러스터(개별 감염 당 6-8 군데)를 관찰하여 전형적인 NSC 유전자 발현 프로파일을 나타내는 안정한 iNSC 라인을 생성하였다(스케일 바, 50 um).As can be seen in Figures 1c and 1d, the first cell clusters (6-8 sites per individual infection) were observed to generate a stable iNSC line (scale bar, 50 um) representing a typical NSC gene expression profile.

형광 활성화 세포 정렬(FACS)을 사용하여 pcOKSM 또는 pcBKSM 생성 iNSCs에 대한 EYFP transgene과 Olig2 표현의 활성화를 계량하였다.Fluorescence activated cell sorting (FACS) was used to quantify the activation of EYFP transgene and Olig2 expression on pcOKSM or pcBKSM-producing iNSCs.

구체적으로, 세포를 트립신으로 해리시키고, PBS로 한번 세척하고, FACS 완충액(5% FBS를 함유하는 PBS)에 재현탁시켰다. 1 Х 106 세포를 항 SSEA1(Santa Cruz Biotechnology, 1:10)에 대해 4℃에서 15분간 항온처리한 FITC-접합 항체와 함께 배양하였다. 세포를 FACS 완충액으로 1회 세척하고 BD FACSAriaTM(BD Biosciences)을 사용하여 분석을 위해 PBS에 재현탁시켰다.Specifically, the cells were dissociated with trypsin, washed once with PBS and resuspended in FACS buffer (PBS containing 5% FBS). 1 × 10 6 cells were incubated with FITC-conjugated antibodies incubated for 15 min at 4 ° C against anti-SSEA1 (Santa Cruz Biotechnology, 1:10). Cells were washed once with FACS buffer and resuspended in PBS for analysis using BD FACSAria (BD Biosciences).

도 1e에서 확인할 수 있듯이, 두 경우 모두에서 iNSC의 대다수가 EYFP(각각 96.1과 97.9 %)와 Olig2(둘 다 99 % 이상의 Olig2 +)에 양성인 것으로 밝혀졌다. 특히, 작은 재조합 EYFP-iNSC 집단 (Olig2 + / EYFP-)은 리프로그래밍 조건 모두에서 일관되게 관찰되었으며, 직접 변환된 세포를 나타낼 수 있음을 나타내었다.As shown in FIG. 1e, in both cases, the majority of iNSCs were found to be positive for EYFP (96.1 and 97.9%, respectively) and Olig2 (both 99% or more for Olig2 +). In particular, the small recombinant EYFP-iNSC population (Olig2 + / EYFP-) was consistently observed in both reprogramming conditions, indicating that it could represent directly transformed cells.

도 1f에서 확인할 수 있듯이, pcOKSM 및 pcBKSM으로 형질전환되어 파생된 iNSC 라인을 섬유아세포 및 NSC 대조군에 대하여 히트 맵으로 분석한 결과 iNSC의 정체성은 전체 게놈 전사 프로파일링에 의해 NSC에 가까운 것으로 확인되었다. MEFs와 cNSCs 사이에서는 FC = 4, 그리고 표본 중 적어도 하나에서 FPKM = 1 인 차별적으로 발현된 유전자가 나타났다.As shown in FIG. 1F, the iNSC line transformed with pcOKSM and pcBKSM was analyzed by heatmap for fibroblast and NSC control. As a result, the identity of iNSC was confirmed to be close to that of NSC by whole genome transcription profiling. FC = 4 between MEFs and cNSCs, and FPKM = 1 in at least one of the samples.

도 1g 및 1h에서 확인할 수 있듯이, pcOKSM 또는 pcBKSM으로 얻은 EYFP-iNSC 세포는 EYFP + iNSC와 마찬가지로 NSC 마커 유전자를 발현하였다. 그러므로 소수의 pcOKSM 및 pcBKSM-iNSC는 다능성 상태를 거치지 않고 MEF에서 직접 전이 분화되었을 수 있다(스케일 바, 50 um).As can be seen in Figures 1g and 1h, EYFP-iNSC cells obtained with pcOKSM or pcBKSM expressed NSC marker genes as well as EYFP + iNSC. Thus, few pcOKSMs and pcBKSM-iNSCs may have been directly metastasized (scale-bar, 50 μM) in MEFs without going through pluripotent states.

그러나, 이러한 EYFP-iNSC 세포가 Cre에 의한 불완전한 절제와 같은 경우를 나타내는 것을 확실하게 배제할 수 없었다.However, it could not be reliably excluded that such EYFP-iNSC cells exhibited incomplete excision by Cre.

실시예 3: 개별적으로 형질 도입된 BKSM은 다분화능을 유도할 수 없음Example 3: Individually transduced BKSM can not induce multipotency.

폴리시스트로닉 유전자 전달 시스템의 결과를 참고하여, Brn4, Klf4, Sox2 및 cMyc(mcBKSM)를 암호화하는 모노시스트로닉 레트로 바이러스 벡터를 사용하여 계통 추적 실험을 반복하기로 결정하였다.With reference to the results of the poly-systolic gene delivery system, it was decided to repeat the phylogenetic tracing experiments using monocystronic retroviral vectors encoding Brn4, Klf4, Sox2 and cMyc (mcBKSM).

2 ~ 3 주간의 감염 후 첫 번째 iNSC 클러스터를 관찰하였다(개인 감염 당 ~ 10 개 클러스터). mcBKSM- 형질 전환 된 MEFs로부터 SSEA1 + 세포를 분류함으로써, 우리는 네 가지 독립적인 실험으로부터 네 개의 클론 iNSC 라인을 확립했다.The first iNSC cluster after infection for 2 to 3 weeks was observed (~ 10 clusters per individual infection). By classifying SSEA1 + cells from mcBKSM-transfected MEFs, we established four clone iNSC lines from four independent experiments.

도 2a에서 확인할 수 있듯이, iNSCs는 NSC와 유사한 형태를 나타냈으나 섬유아세포와는 상이하였다(스케일 바, 50 um).As can be seen in FIG. 2a, iNSCs showed a similar pattern to NSC but differed from fibroblasts (scale bar, 50 .mu.m).

도 2b에서 확인할 수 있듯이, MEFs와 cNSCs 사이에서는 FC = 4, 그리고 표본 중 적어도 하나에서 FPKM = 1 인 차별적으로 발현된 유전자가 나타났다. iNSCs는 NSC와 유사한 유전자 발현을 나타냈으나 섬유아세포와는 상이하였다.As can be seen in Figure 2b, FC = 4 between MEFs and cNSCs, and FPKM = 1 in at least one of the samples. iNSCs showed gene expression similar to NSC but different from fibroblasts.

iNSCs의 DNA 메틸화 상태를 결정하기 위해 게놈 DNA를 sodium bisulfite로 처리하여 제조자의 지침에 따라 EpiTect Bisulfite Kit(QIAGEN)을 사용하여 모든 메틸화되지 않은 시토신 잔기를 우라실 잔기로 전환시켰다. 간단히 말하면, PCR 증폭은 총 25 ul의 총 부피에서 SuperTaq polymerase(Ambion)를 사용하여 수행되었고 94℃에서 30초 동안 각 표적 부위에 대해 적절한 온도에서 어닐링된 변성 40 사이클의 프로토콜, 94℃에서 5분 동안 1차 변성시키고, 72℃에서 10분간 최종 변성시켜 72℃에서 30초간 연장하였다. 각 프라이머 세트에 대해, PCR의 제1 라운드로부터의 3 ul의 생성물을 주형으로서 PCR의 제2 라운드에서 사용 하였다. 증폭된 생성물을 1% 아가로즈 겔에서 전기영동으로 확인하였다. PCR 산물을 PCR 2.1-TOPO 벡터(Invitrogen)를 사용하여 서브 클로닝 하였다. 재구성된 플라스미드를 QIAprep Spin Miniprep Kit(QIAGEN)을 사용하여 정제하고 개별 클론을 서열분석하였다(Macrogen, 대한민국). 클론을 QUMA 소프트웨어를 사용하여 분석하였다.Genomic DNA was treated with sodium bisulfite to determine the DNA methylation status of iNSCs and all non-methylated cytosine residues were converted to uracil residues using the EpiTect Bisulfite Kit (QIAGEN) according to the manufacturer's instructions. Briefly, PCR amplification was performed using a SuperTaq polymerase (Ambion) at a total volume of 25 μl and a denaturing 40 cycle protocol annealed at the appropriate temperature for each target site for 30 seconds at 94 ° C, 5 minutes at 94 ° C Denatured at 72 ° C for 10 minutes, and lengthened at 72 ° C for 30 seconds. For each primer set, 3 ul products from the first round of PCR were used as templates in the second round of PCR. The amplified product was confirmed by electrophoresis on 1% agarose gel. The PCR products were subcloned using PCR 2.1-TOPO vector (Invitrogen). The reconstituted plasmid was purified using QIAprep Spin Miniprep Kit (QIAGEN) and sequenced of individual clones (Macrogen, Korea). Clones were analyzed using QUMA software.

도 2c에서 확인할 수 있듯이, 유전자 발현 및 NSC와 유사한 Nestin 및 Col1a1의 프로모터 메틸화를 나타냈지만, 섬유 아세포와는 상이하였다. 개방되거나 채워진 원은 각각 메틸화되지 않거나 메틸화 된 CpG를 나타내었다.As can be seen in FIG. 2C, promoter methylation of Nestin and Col1a1 similar to gene expression and NSC was shown, but it was different from fibroblasts. Open or filled circles showed unmethylated or methylated CpG, respectively.

도 2d에서 확인할 수 있듯이, 레트로 바이러스 전이 유전자는 완전히 리프로그래밍된 iPSCs 및 pcOKSM 또는 pcBKSM에 의한 리프로그래밍에 의해 생성된 iNSC에서 침묵하는 것으로 나타났으나, 초기 mcBKSM iNSC에는 크게 활동적인 retroviral transgenes가 있었다. 이 결과는 레트로 바이러스 도입 유전자가 오로지 2개월 간의 배양 후에 확립된 iNSC 계통에서 확률적으로 침묵한다는 것을 보여주는 선행 연구 결과와도 일치한다. 이 수준은 형질 도입 5일 후 MEF의 수준으로 정상화되었다. 데이터는 평균 ± SD, n = 3으로 나타내었다.As can be seen in Figure 2d, the retroviral transgene was found to be silenced in fully reprogrammed iPSCs and in iNSCs produced by reprogramming by pcOKSM or pcBKSM, whereas early mcBKSM iNSC had largely active retroviral transgenes. This result is consistent with previous studies showing that the retroviral transgene is stochastically silent in the iNSC line established after only two months of culture. This level was normalized to the level of MEF 5 days after transduction. The data are expressed as means ± SD, n = 3.

mcBKSM에 의해 유도된 MEF가 직접적으로 또는 Oct4 + 중간 단계를 통해 iNSC로 전환되는지 여부를 결정하기 위해, FACS에 의해 생성된 iNSC를 분석하였다.The iNSCs generated by FACS were analyzed to determine whether the MEFs induced by mcBKSM were converted directly or to the iNSCs via the Oct4 + intermediate step.

도 2e에서 확인할 수 있듯이, 놀랍게도 mcBKSM에서 추출한 iNSC 클론에서는 EYFP + 세포를 검출하지 못했지만 대부분의 세포에서 Olig2 +를 발견하였다. 이것은 mcBKSM에 의해 유도된 모든 iNSC가 직접 프로그래밍으로 인한 결과임을 나타낸다.As can be seen in Figure 2E, surprisingly, the iNSC clones extracted from mcBKSM did not detect EYFP + cells but found Olig2 + in most cells. This indicates that all iNSCs derived by mcBKSM are the result of direct programming.

Olig2 + / EYFP- 클론 mcBKSM iNSC 라인이 직접 및 간접적으로 생성된 iNSC의 혼합물로부터 선택적으로 농축된 가능성을 배제하기 위해, mcBKSM으로 리프로그래밍하는 25일 후에 벌크 세포 집단을 분석하였다.To eliminate the possibility that Olig2 + / EYFP-clone mcBKSM iNSC lines were selectively enriched from a mixture of directly and indirectly generated iNSC, bulk cell populations were analyzed after 25 days of reprogramming with mcBKSM.

도 2f에서 확인할 수 있듯이, 다시 모든 세포는 EYFP- 인 것으로 나타났다. 종합하면, iNSC가 mcBKSM에 의해 직접적으로 또는 pcBKSM에 의한 다능화 상태를 통해 간접적으로 얻어질 수 있음을 보여준다.As can be seen in Figure 2f, again all cells were found to be EYFP-. Taken together, it shows that iNSC can be obtained either directly by mcBKSM or indirectly through the multifunctional state by pcBKSM.

오염된 신경 crest 세포 또는 다른 잔류 신경 세포 인구가 우리의 외인성 리프로그래밍 인자로 인해 농축되어 iNSC 생성에 기여할 가능성을 배제하기 위해 다음으로 Thy1 + (섬유 아세포)와 Thy1- (비 섬유 아세포 잔여 신경 세포 인구) 세포를 도입하고 mcBKSM을 도입 하였다. 3주간의 감염 후, Thy1 + 모집단이 iNSC 클러스터 수를 약간 감소시켰지만, Thy1 + 및 Thy1- 집단 모두에서 Olig2를 발현하는 iNSC 클러스터를 찾을 수 있었다. 이는 iNSC가 직접적인 전환 전략을 통해 순수 섬유아세포에서 생성될 수 있음을 나타냅니다.To exclude the possibility that contaminated neuronal crest cells or other residual neuronal populations are enriched by our exogenous reprogramming factors and contribute to the production of iNSCs, we next used Thy1 + (fibroblasts) and Thy1- (non-fibroblast- ) Cells were introduced and mcBKSM was introduced. After three weeks of infection, the Thy1 + population slightly reduced the number of iNSC clusters, but iNSC clusters expressing Olig2 could be found in both Thy1 + and Thy1- populations. This indicates that iNSCs can be generated from pure fibroblasts through a direct conversion strategy.

실시예 4: iNSC 로의 리프로그래밍 경로Example 4: Reprogramming path to iNSC

lentiviral pcBKSM 대 레트로 바이러스 mcBKSM 리프로그래밍을 매개로하는 분자 반응을 해명하기 위해 각 시스템의 리프로그래밍 동역학을 탐구하기로 결정했습니다. 두 시스템 모두에서 전사 인자의 최대 유도 수준을 달성하기 위해 pcBKSM 또는 pcOKSM으로 형질도입된 MEF와 mcBKSM 또는 mcOKSM을 암호화하는 집중적인 레트로 바이러스의 다른 부피의 dox를 사용하여 발현을 적정하였다. polycistronic 벡터로 형질도입된 MEFs의 lentiviral 발현 수준은 용량 의존적인 방식으로 증가하였고 dox의 3 ug/ml에서 정체되었다. 반면, dox의 농도가 높을수록 강한 과발현에 의해 유발된 광범위한 세포 사멸을 초래하였다. retroviral transgenes의 유도 수준은 10 ul의 부피에서 포화되었다. 형질도입 유전자의 유도 수준과 형질도입된 MEF의 생존을 고려하여 polycistronic lentiviral vector(pcBKSM 및 pcOKSM)에 3 ug/ml의 dox를 사용하고 운동 분석을 위해 각 retrovirus(mcBKSM 또는 mcOKSM) 10 ul를 사용하기로 결정하였다. 또한 단백질 수준에서 polycistronic lentiviral과 monocistronic retrovial vector 모두에서 유도된 Brn4와 Oct4의 유사한 유도 수준을 확인하였다.We decided to explore the reprogramming kinetics of each system to elucidate molecular reactions mediated by lentiviral pcBKSM versus retroviral mcBKSM reprogramming. To achieve the maximal induction level of transcription factors in both systems, expression was titrated using MEFs transduced with pcBKSM or pcOKSM and different volumes of dox of intensive retroviruses encoding mcBKSM or mcOKSM. Lentiviral expression levels of MEFs transduced with the polycistronic vector increased in a dose dependent manner and stagnated at 3 ug / ml of dox. On the other hand, higher concentrations of dox resulted in widespread apoptosis induced by overexpression. The induction level of retroviral transgenes was saturated at a volume of 10 ul. Using 3 μg / ml dox in polycistronic lentiviral vectors (pcBKSM and pcOKSM) and 10 ul of each retrovirus (mcBKSM or mcOKSM) for kinetic analysis, taking into account the induction level of the transgene and the survival of transduced MEFs Respectively. We also confirmed similar induction levels of Brn4 and Oct4 in both the polycistronic lentiviral and the monocistronic retroviral vector at the protein level.

섬유아세포 마커는 사용된 시스템에 관계없이 이미 유도 1-2 주 후에 MEFs에서 빠르게 억제되었다.Fibroblast markers were rapidly inhibited in MEFs after 1-2 weeks of induction, regardless of the system used.

도 3a에서 확인할 수 있듯이, Oct4-CreER를 사용하여 이미 확인된 바와 같이 R26-IL-EYFP 계통 추적 시스템에서 mcBKSM이 형질도입된 MEF는 pcBKSM-, mcOKSM- 및 pcOKSM- 형질 도입된 MEF와는 달리 내인성 다능성 마커를 활성화시키지 않았다. 이 수준은 각각 비 형질도입성 ESCs의 수준으로 표준화되었으며 평균 ± SD, n = 3으로 표시되었다.As can be seen in FIG. 3A, the MEFs transduced with mcBKSM in the R26-IL-EYFP lineage tracing system, as already confirmed using Oct4-CreER, are endogenous, unlike pcBKSM-, mcOKSM- and pcOKSM- transduced MEFs The activity marker was not activated. This level was normalized to the level of non-transgenic ESCs and was expressed as mean ± SD, n = 3.

도 3b에서 확인할 수 있듯이, mcBKSM- 형질도입된 MEFs는 2주 후에 Blbp 및 Olig2와 같은 NSC 마커를 강하게 활성화하였지만, pcBKSM, pcOKSM 또는 mcOKSM으로 형질도입된 MEF는 1주일 후에 활성화시켰다. 이 수준은 각각 비 형질도입성 NSCs 대조군의 수준으로 표준화되었으며 평균 ± SD, n = 3으로 표시되었다.As can be seen in Figure 3b, mcBKSM-transduced MEFs strongly activated NSC markers such as Blbp and Olig2 after two weeks, but MEFs transfected with pcBKSM, pcOKSM or mcOKSM were activated after one week. This level was normalized to the level of non-transgenic NSCs control, respectively, and was expressed as mean ± SD, n = 3.

유사한 경향이 lentiviral mcBKSM- 형질도입된 MEFs에서 관찰되었고 lentiviral mcBKSM 형질도입된 MEFs의 결과 iNSCs도 역시 EYFP-이었다. 따라서 mcBKSM은 MEF에서 NSC 마커를 pcBKSM 또는 OKSM보다 빠르고 더 높은 수준으로 활성화 할 수 있지만 Oct4와 같은 내인성 다능성 마커를 상향 조절할 수는 없다.Similar trends have been observed in lentiviral mcBKSM-transduced MEFs and as a result of lentiviral mcBKSM transduced MEFs iNSCs were also EYFP-. Thus, mcBKSM can activate NSC markers at MEF faster and at a higher level than pcBKSM or OKSM, but not up-regulate endogenous versatile markers such as Oct4.

실시예Example 5:  5: Oct4Oct4  And Brn4의Of Brn4 구조적 해부는  Structural dissection Brn4가Brn4 다능성을Versatility 유도할 수 없음을 나타냄 Indicates unable to induce

iPSC 기술의 발명 직후, Oct4는 동일한 전사 인자 계열의 다른 구성원으로 대체 할 수 없는 리프로그래밍 칵테일의 유일한 리프로그래밍 인자로 나타났다. 반대로, 폴리시스트로닉 Brn4를 섬유아세포에 도입하면 내인성 Oct4가 활성화되고 키메라 등급 iPSC가 생성될 수 있음을 보여주었다. Oct4 (Pou5f1)와 Brn4 (Pou3f4)는 모두 POU 전사인자 군 (각각 IV 군과 III 군)에 속하며, N- 및 C- 말단 트랜스 액티브 영역(NTD와 CTD). POU 도메인 그 자체는 비보존 링커에 의해 접속된 POU 고유 (POUsp)와 POU 홈 도메인 (POUhd)으로 구성된다.Immediately after the invention of iPSC technology, Oct4 appeared as the only reprogramming factor for reprogramming cocktails that could not be replaced by other members of the same transcription factor family. Conversely, the introduction of poly- sistronic Brn4 into fibroblasts showed that endogenous Oct4 could be activated and chimeric grade iPSC could be produced. Both Oct4 (Pou5f1) and Brn4 (Pou3f4) belong to the POU transcription factor group (IV and III, respectively), and N- and C-terminal transactivation regions (NTD and CTD). The POU domain itself consists of a POU unique (POUsp) and a POU home domain (POUhd) connected by the non-persistent linker.

두 가지 POU 인자는 NTD(N-terminal transactivation domain), POU 특이 도메인(POUsp), 링커, POU homeodomain(POUhd) 및 C-terminal transactivation domain(CTD)의 5개 도메인으로 구성된다. O 또는 B는 도메인이 각각 Oct4 또는 Brn4임을 나타낸다.The two POU factors consist of five domains: the N-terminal transactivation domain (NTD), the POU specific domain (POUsp), the linker, the POU homeodomain (POUhd) and the C-terminal transactivation domain (CTD). O or B indicates that the domain is Oct4 or Brn4, respectively.

도 3c와 같이, Oct4와 Brn4의 어떤 부분이 체세포를 다분화능으로 리프로그래밍하는 역할을 하는지를 결정하기 위해, 그들의 도메인을 교환함으로써 일련의 상호 Oct4-Brn4 키메라를 생성하였다.As shown in Figure 3c, a series of reciprocal Oct4-Brn4 chimeras were generated by exchanging their domains to determine which portion of Oct4 and Brn4 was responsible for reprogramming somatic cells multipotentially.

구체적으로, Oct4-Brn4 키메라 라이브러리는 이전에 설명한대로 약 20 bp 길이의 중복 말단이 있는 2개 또는 3개의 PCR 단편의 오버랩 확장 어셈블리를 사용하여 생성되었다. 최종 키메라 PCR 산물을 EcoRI 및 XhoI 제한 효소 부위를 사용하여 pMX 백본에 삽입하고 서열을 결정하였다.Specifically, the Oct4-Brn4 chimeric library was generated using an overlap extension assembly of two or three PCR fragments with overlapping ends of about 20 bp in length as previously described. The final chimeric PCR product was inserted into the pMX backbone using EcoRI and XhoI restriction sites and sequenced.

pHAGE2-tetO-OKSM(STEMCCA) 및 pHAGE-tetO-BKSM 렌티 바이러스 벡터를 준비하였다. 이 연구에서 사용된 다른 모든 렌티 바이러스 발현 카세트는 동일한 백본에 클로닝되었다. F2A 펩타이드의 자가 절단 능력을 완전히 무력화시키기 위해자가 절단 Pro-Gly 부위를 구성하는 마지막 두 잔기를 Ala-Ala로 돌연변이시켰다. 다음과 같은 P2A자가 절단 펩타이드 및 폴리-글리신 링커의 서열을 사용하였다: GSGATNFSLLKQAGDVEENPGP 및 GSGGGSGGGSGGGGSGGGGSG.pHAGE2-tetO-OKSM (STEMCCA) and pHAGE-tetO-BKSM lentiviral vectors were prepared. All other lentivirus expression cassettes used in this study were cloned into the same backbone. The last two residues constituting the self-cleaved Pro-Gly site were mutated to Ala-Ala in order to completely disable the self-cleaving ability of the F2A peptide. The following P2A self-cleaving peptide and poly-glycine linker sequences were used: GSGATNFSLLKQAGDVEENPGP and GSGGGSGGGSGGGGSGGGGSG.

이후 키메라가 Oct4-GFP 리포터 MEFs와 개별 레트로 바이러스를 사용하여 SKM과 함께 iPSCs를 생성하는 능력을 시험하였다. 구체적으로, Oct4, Brn4 또는 Oct4-Brn4 키메라 단백질을 SKM과 함께 사용하여 iPSCs에 Oct4-GFP MEF를 리프로그래밍하였다. 그 효율을 2주 및 3주 후에 GFP + 콜로니 수를 계수함으로써 측정하였다. 데이터는 평균 ± SD, n = 3으로 나타내었다.The chimera then tested its ability to generate iPSCs with SKM using Oct4-GFP reporter MEFs and individual retroviruses. Specifically, Oct4-GFP MEFs were reprogrammed into iPSCs using Oct4, Brn4 or Oct4-Brn4 chimeric proteins with SKM. The efficiency was measured by counting the number of GFP + colonies after 2 weeks and 3 weeks. The data are expressed as means ± SD, n = 3.

iPSC 생성을 위해 3 내지 4회의 계대 후 Oct4-GFP(OG2 MEFs 또는 heterozygous ROSA26-rtTA / GOF18) MEF를 사용하였다. MEFs는 신선한 MEF 배지 1 ml에 웰 당 2.5-3x104의 밀도로 12-웰 플레이트 상에 플레이팅되었다. 같은 날에, 60 ul의 비농축 tetO-OKSM과 rtTA(OG2 MEFs의 경우) 30 ul의 6 ug/ml 황산 프로타민(Sigma-Aldrich)을 첨가한 바이러스 상층액을 같은 날에 세포에 도입하였다. 나머지 구조물의 체적은 Q-PCR 적정에 따라 조절되었다. 48시간 후 배지를 dox(1 ug/ml)가 첨가된 배아 줄기 세포 배지(고 포도당 DMEM, 15 % KSR, LIF)로 대체하였다. 유도 1 및 2주 후에 GFP + 콜로니의 수를 세었다. Dox는 유도 12일 후에 제거되었다(두 번째 계산의 2 일전).Oct4-GFP (OG2 MEFs or heterozygous ROSA26-rtTA / GOF18) MEFs were used after 3-4 passages for iPSC generation. MEFs were plated on 12-well plates at a density of 2.5-3x10 4 per well in 1 ml of fresh MEF medium. On the same day, virus supernatants were added to the cells on the same day with 60 ul of non-enriched tetO-OKSM and 30 ul of rtTA (for OG2 MEFs) plus 6 ug / ml protamine sulfate (Sigma-Aldrich). The volume of the remaining structures was adjusted according to Q-PCR titration. After 48 hours, the medium was replaced with embryonic stem cell medium (high glucose DMEM, 15% KSR, LIF) supplemented with dox (1 ug / ml). The numbers of GFP + colonies were counted 1 and 2 weeks after induction. Dox was removed after induction 12 days (two days before the second calculation).

렌티 바이러스 스톡은 dox 유도 24 시간 후 MEFs에서 cDNA 샘플 WPRE에 대한 Q - PCR을 사용하여 정량되었다.Lentiviral stocks were quantified using Q-PCR for cDNA samples WPRE in MEFs 24 h after dox induction.

도 3d에서 확인할 수 있듯이, Oct4와는 달리 야생형 Brn4는 GFP + iPSC 콜로니를 생성할 수 없었다. 흥미롭게도, Brn4(NTD, POUsp, 링커, POUhd 또는 CTD)로부터의 단일 도메인 치환을 함유한 Oct4-Brn4 키메라는 POUsp, POUhd 및 CTD에 대한 효율 감소에도 불구하고 여전히 리프로그래밍 기능을 유지하였다. 주목할 것은, POUsp 도메인은 Brn4 대응물(O-BOO-O 키메라)로의 대체가 키메라의 리프로그래밍 능력을 극적으로(30 배) 감소시킴에 따라 Oct4의 리프로그래밍 기능에 가장 중요한 것으로 나타났다. 그러나 Oct4의 단일 도메인만으로는 Brn4에 리프로그래밍 기능을 부여할 수 없었으므로 Oct4의 다중 도메인 협력이 리프로그래밍 기능에 필요하다는 것을 암시한다.As can be seen in Figure 3D, unlike Oct4, wild-type Brn4 could not produce GFP + iPSC colonies. Interestingly, Oct4-Brn4 chimeras containing single domain substitutions from Brn4 (NTD, POUsp, linker, POUhd or CTD) still maintained their reprogramming function despite decreased efficiency for POUsp, POUhd and CTD. Notably, the POUsp domain appeared to be the most important for the reprogramming function of Oct4, as the replacement with the Brn4 counterpart (O-BOO-O chimera) dramatically (30-fold) reduces the reprogramming ability of the chimera. However, since a single domain of Oct4 alone could not provide reprogramming to Brn4, it implies that multi-domain cooperation of Oct4 is required for reprogramming functions.

도 3e에서 확인할 수 있듯이, 형질도입 3주 후 벌크 세포 집단의 FACS 분석은 야생형 Brn4가 iPSC를 생성할 수 없음을 나타내었다.As can be seen in FIG. 3E, FACS analysis of the bulk cell population three weeks after transduction indicated that wild-type Brn4 could not produce iPSC.

도 3f에서 확인할 수 있듯이, 리프로그래밍 효율의 차이는 레트로 바이러스 벡터의 qPCR 적정에 의해 확인된 것과 같은 불균형적인 도입 유전자 발현에 의한 것은 아니다.As can be seen in Figure 3f, the difference in reprogramming efficiency is not due to an imbalanced transgene expression as confirmed by the qPCR titration of the retroviral vector.

종합하면, 결과는 Brn4가 3가지 영역의 목적을 위한 기능 부적합성으로 인해 다능성을 유도하지 못함을 보여 주며, 그 중 POUsp 도메인이 가장 중요하다.Taken together, the results show that Brn4 does not induce pluripotency due to functional incompatibility for the purposes of the three domains, of which the POUsp domain is the most important.

mcBKSM과 달리 pcBKSM은 Oct4-CreER로부터 EYFP + iNSC를 생성하는 내인성 Oct4를 활성화 시켰으며(R26-IL-EYFP MEF), 이에 pcBKSM이 완전히 리프로그래밍된 iPSCs를 생성할 수 있는지 확인하기 위해 Oct4-GFP MEF에 pcBKSM을 도입하고 ESC 배지에서 세포를 배양하였다. 리프로그래밍 효율은 유도 1 및 2주 후에 GFP + 콜로니 수를 계수함으로써 측정하였다.Unlike mcBKSM, pcBKSM activated endogenous Oct4 (R26-IL-EYFP MEF) that produced EYFP + iNSC from Oct4-CreER, and to determine if pcBKSM could generate fully reprogrammed iPSCs, Oct4-GFP MEF And the cells were cultured in ESC medium. Reprogramming efficiency was measured by counting GFP + colonies 1 and 2 weeks after induction.

도 3g 및 3h에서 확인할 수 있듯이, dox 처리 후 8 일 만에 pcOKSM과 pcBKSM 모두에 대해 GFP + 콜로니가 관찰되었으며 놀라울 정도로 유사한 리프로그래밍 효율이 나타났다(스케일 바, 250 um). Oct1과 Oct6 같은 동일한 폴리시스트로닉 카세트에 복제된 다른 POU 인자는 매우 적은 GFP + 콜로니를 유도할 수 있는 Brn2를 제외하고는 iPSC를 생성할 수 없었다(평균 ± SD, n = 3).As can be seen in Figures 3g and 3h, GFP + colonies were observed for both pcOKSM and pcBKSM 8 days after dox treatment, with remarkably similar reprogramming efficiencies (scale bar, 250 [mu] m). Other POU factors cloned in the same polytronic cassette, such as Oct1 and Oct6, did not produce iPSC (mean ± SD, n = 3), except for Brn2, which could lead to very low GFP + colonies.

도 3i에서 나타내는 바와 같이, 폴리시스트로닉 벡터가 섬유아세포를 다능성 상태로 유도할 수는 있지만, 개별적으로 발현된 인자는 MEFs를 다능성 상태로 유도하지 않고 iNSCs로 직접 분화시킨다.As shown in FIG. 3i, although the polyistronic vector can induce fibroblasts to a pluripotent state, the individually expressed factors directly differentiate into iNSCs without inducing MEFs into a pluripotent state.

실시예 6: Brn4-Klf4 융합 단백질의 리프로그래밍 시 다능성 유도Example 6: Multipotency induction in reprogramming of Brn4-Klf4 fusion protein

Bar-Nur 등의 연구에서 사용된 polycistronic reprogramming cassette (STEMCCA로 알려짐). 본 발명에서 두 개의 자기 분해 2A 펩타이드와 내부 리보솜 진입 부위(IRES)(POU-F2A-KIf4-IRES-Sox2-E2A-cMyc)로 분리 된 전사 인자를 가지고있다. 폴리시스트로닉 카세트의 재 프로그램 인자의 순서는 화학량 론을 결정하고 다른 2A 펩타이드는 명확한 자가 절단 효율을 가지는 것으로 알려져 있다. 실제로 원래의 STEMCCA 카세트 및 pcBKSM 카세트의 Brn4와 Klf4를 연결하는 데 사용된 F2 펩타이드 F2A는 가장 낮은 자가 분해 효율을 나타낸다. 이것은 Brn4-F2A-Klf4가 세포 반응을 변화시키고 리프로그래밍 결과를 변화시킬 수 있는 미처리 고 분자량 폴리 프로테인을 생산할 수 있음을 시사한다.A polycistronic reprogramming cassette (also known as STEMCCA) used in Bar-Nur et al. The present invention has transcription factors that are separated into two autolysis 2A peptides and an internal ribosome entry site (IRES) (POU-F2A-KIf4-IRES-Sox2-E2A-cMyc). The sequence of the reprogramming factor of the polysytronic cassette determines the stoichiometry and the other 2A peptides are known to have a pronounced self-cleavage efficiency. Indeed, the F2 peptide F2A used to link Brn4 and Klf4 of the original STEMCCA cassette and pcBKSM cassette exhibits the lowest autolysis efficiency. This suggests that Brn4-F2A-Klf4 can produce untreated high molecular weight polyproteins that can alter cell responses and alter reprogramming results.

도 4a에서 확인할 수 있듯이, 이 아이디어를 시험하기 위해 F2A 펩티드를 자체 절단 부위(GP->AA)의 두 잔기를 대체함으로써 P2A(가장 효율적인 자가 절단 펩타이드) 또는 절단 불가능한 돌연변이 F2A(F2Am)로 대체한 일련의 POU-KSM 벡터를 생성하였다. 또한 합성 폴리글리신(GL) 링커를 사용하여 F2A 서열 특유의 영향을 배제하였다.As can be seen in FIG. 4A, the F2A peptide was replaced with P2A (the most efficient self-cleaving peptide) or the non-cleavable mutant F2A (F2Am) by replacing two residues of the self-cleavage site (GP-> AA) A series of POU-KSM vectors were generated. A synthetic polyglycine (GL) linker was also used to eliminate the effect specific to the F2A sequence.

도 4b에서 확인할 수 있듯이, 웨스턴 블롯 분석을 통해 P2A에 의해 연결된 POU 및 Klf4의 완전한 분열, F2A에 의한 부분 분열 및 F2Am에 의한 분열의 부재를 확인하였다.As can be seen in FIG. 4B, Western blot analysis confirmed the complete cleavage of POU and Klf4 linked by P2A, partial cleavage by F2A and cleavage by F2Am.

그런 다음 우리는 Oct4-GFP MEFs를 iPSCs로 리프로그래밍하기 위한 컨스트럭트의 기능을 시험하였다. 우리가 예상했듯이, P2A 구조물 중 Oct4만이 다른 POU 인자가 아니라면 GFP + 콜로니를 생성할 수 있었다. 놀랍게도, 비절단 리간드인 F2Am과 GL은 Brn4뿐만 아니라 Oct6과 Brn2에서도 리프로그래밍이 가능했다. 이전에 iPSC를 생성할 수 없거나 심지어 클로저 크로마틴을 이용할 수 없다고 보고된 두 개의 신경 특이 POU3 인자가 있다.We then tested the function of the construct to reprogram Oct4-GFP MEFs to iPSCs. As we expected, only Oct4 in the P2A construct could generate GFP + colonies if it were not another POU factor. Surprisingly, the noncoding ligands F2Am and GL were able to reprogram not only Brn4 but also Oct6 and Brn2. There are two nerve-specific POU3 factors reported previously that can not generate an iPSC or even that closure chromatin is unavailable.

도 4c에서 확인할 수 있듯이, 섬유아세포. Brn2-, Oct6- 및 Brn4-F2Am-KSM- 생성 된 iPSC 라인은 통과 가능한 클론 세포주를 생성할 수 있다(스케일 바, 250 um).As can be seen in Figure 4c, fibroblasts. Brn2-, Oct6-, and Brn4-F2Am-KSM-generated iPSC lines can generate a passable clone cell line (scale bar, 250 um).

도 4d에서 확인할 수 있듯이, 각 형질도입 유전자의 게놈 통합은 PCR 유전자형 분석에 의해 확인되었다. 생성된 iPSCs는 다능성 마커인 Nanog와 SSEA-1을 발현하고 기형종 분석에서 세 가지 모든 세균층으로 분화할 수 있었고 키메라 마우스의 생식 세포계의 발달에 효과적으로 기여할 수 있었다.As can be seen in Figure 4d, genomic integration of each transgene was confirmed by PCR genotyping. The resulting iPSCs were able to differentiate into pluripotent markers Nanog and SSEA-1 and to differentiate into all three bacterial layers in teratoma analysis and could contribute to the development of the germline of chimeric mice.

특히, Brn4-F2Am-KSM 및 Brn4-GL-KSM은 본래의 F2A 작제물보다 악화되어, 절단 및 절단되지 않은 Brn4-Klf4의 혼합물이 효율적인 리프로그래밍에 유리함을 시사한다. 따라서 융합 단백질 내에서 POU와 Klf4의 기능을 조사하기로 결정했다. ZHBTc4 ESC 라인을 사용하여 pluripotency rescuing assay를 수행하였는데 Oct4는 dox 치료로 조건적으로 제거할 수 있다. 예기치 않게, P2A-, F2A-, F2Am- 또는 GL- 연결된 Oct4-Klf4 구조물에 의해 구제된 Oct4- 결핍 ESC는 그 형태, 생존 또는 증식 능력에서 차이가 없었으며, POU TF 기능이 POU-Klf4 폴리 프로테인. 우리는 다음으로 Goff18 마우스 상피줄기세포를 사용하여 융합 단백질 내에서 Klf4의 기능을 시험하기 위해 프라이밍된 순수 ESC 변환 분석을 사용했다. F2Am과 GL 구조 모두는 FACS 분석에 의해 결정된 절단 가능한 펩타이드를 함유하는 벡터와 비교하여 Gof18 + 줄기 세포의 Gof18 + 줄기 세포로의 전환율이 유의하게 손상된 것으로 나타났다.In particular, Brn4-F2Am-KSM and Brn4-GL-KSM are worse than native F2A constructs suggesting that a mixture of Brn4-Klf4 that is not cleaved and cleaved is advantageous for efficient reprogramming. Therefore, we decided to investigate the functions of POU and Klf4 in fusion proteins. The ZHBTc4 ESC line was used to perform a pluripotency rescuing assay. Oct4 can be conditionally removed by dox treatment. Unexpectedly, the Oct4-deficient ESCs, which were rescued by P2A-, F2A-, F2Am- or GL-linked Oct4-Klf4 constructs, showed no difference in their morphology, survival or proliferative capacity, and that POU TF function was similar to POU-Klf4 polyprotein . We next used a pure ESC transformation assay primed to test the function of Klf4 in the fusion protein using Goff18 mouse epithelial stem cells. Both F2Am and GL structures were significantly impaired in the conversion of Gof18 + stem cells to Gof18 + stem cells compared to vectors containing cleavable peptides determined by FACS analysis.

따라서 기능적으로 손상된 Klf4를 보상하기 위해 KSM과 함께 POU-Klf4 바이시스트론 구조를 사용하여 리프로그래밍 실험을 반복하였다. 리프로그래밍 효율은 유도 1 및 2 주 후에 GFP + 콜로니 수를 계수함으로써 측정하였다. 데이터는 평균 ± SD, n = 3으로 나타내었다.Therefore, the reprogramming experiment was repeated using the POU-Klf4 bissistron structure with KSM to compensate for functionally damaged Klf4. Reprogramming efficiency was measured by counting GFP + colonies 1 and 2 weeks after induction. The data are expressed as means ± SD, n = 3.

도 4e에서 확인할 수 있듯이, F2A를 보다 효율적으로 절단하는 P2A로 대체하는 것은 Oct4 이외의 POU 인자를 갖는 iPSC로의 리프로그래밍을 막았지만, 절단 불가능한 펩타이드는 리프로그래밍 효율을 구제하고, 원래 부분적으로 절단하는 F2A보다 우수한 모든 경우에 수행되었다. 이는 Brn4가 Klf4와 함께 폴리프로테인을 형성함으로써 STEMCCA 카세트에서 리프로그래밍 기능을 얻는다는 것을 의미한다.As can be seen in Figure 4E, replacing F2A with P2A, which cleaves more efficiently, prevented reprogramming to iPSC with POU factors other than Oct4, but the non-cleavable peptide relieved reprogramming efficiency and was originally partially cleaved Lt; RTI ID = 0.0 > F2A. ≪ / RTI > This means that Brn4 obtains a reprogramming function in the STEMCCA cassette by forming a polyprotein with Klf4.

도 4f에서 확인할 수 있듯이, Brn4-Klf4 폴리프로테인의 리프로그래밍 기능을 추가로 확인하기 위해, 절단 불가능한 Brn4-Klf4 구조물의 첨가가 완전히 절단 가능한 Brn4-P2A-KSM 카세트의 리프로그래밍 능력을 Oct4 운반과 유사한 수준으로 복원할 수 있음을 보여 주었다.As can be seen in Figure 4f, to further confirm the reprogramming function of the Brn4-Klf4 polyprotein, the reprogramming ability of the fully cleavable Brn4-P2A-KSM cassette with addition of the non-cleavable Brn4-Klf4 construct was similar to that of Oct4 delivery To-the-bottom level.

Brn4-Klf4 융합 단백질이 어떻게 리프로그래밍 활성을 얻었는지 이해하기 위해, POU 및 Klf4 표적에 대해 염색질 면역 침전(ChIP)-qPCR을 수행하였다. Brn4 또는 Oct4의 N 말단을 3xFLAG로 표지하고, 4일간의 dox 유도 후 대량 리프로그래밍된 세포 집단에 대해 ChIP를 수행하였다.To understand how the Brn4-Klf4 fusion protein gained reprogramming activity, chromatin immunoprecipitation (ChIP) -qPCR was performed on the POU and Klf4 targets. The N-terminus of Brn4 or Oct4 was labeled with 3xFLAG and ChIP was performed on a population of large reprogrammed cells after 4 days of dox induction.

구체적으로, 2 Х 107 세포를 4℃에서 20분 동안 1%의 최종 농도로 포름알데히드와 가교합시키고 글리신(최종 농도 0.1375 M)으로 켄칭시켰다. 가교결합된 세포를 Bioruptor(Diagenode)로 30초 펄스/30초 휴식주기 45회로 초음파 처리하였다. 각 샘플의 초음파 크로마틴 25 ug을 항-FLAG 항체(Sigma, F1804)로 면역침전시켰다. 프라이머는 공지된 ChIP-Seq 데이터에 기초하여 설계되었다. 면역침전된 DNA는 Oct4 샘플에 비해 fold enrichment로 표현된다. 데이터는 생물학적 복제물의 평균 ± 표준 편차로 나타내었다.Specifically, 2 × 10 7 cells were cross-linked with formaldehyde to a final concentration of 1% at 4 ° C. for 20 minutes and quenched with glycine (final concentration 0.1375 M). The cross-linked cells were sonicated with Bioruptor (Diagenode) for 45 cycles of 30 sec pulse / 30 sec rest period. 25 ug of ultrasound chromatin in each sample was immunoprecipitated with anti-FLAG antibody (Sigma, F1804). Primers were designed based on known ChIP-Seq data. Immunoprecipitated DNA is expressed as fold enrichment compared to the Oct4 sample. Data are presented as means ± SD of the biological replicates.

도 4g에서 확인할 수 있듯이, 융합된 Brn4-Klf4 폴리 단백질이 다능성 관련 Sox-Oct 모티프 함유 유전자좌(Pou5f1, Nanog 및 Sox2)에서 유의하게 증가한 반면, 융합으로 인하여 POU3 인자 특이적 MORE-함유 표적(Slitrk6 , Lingo1, Foxo1)에서는 감소하였다.As shown in FIG. 4g, the fused Brn4-Klf4 polyprotein was significantly increased in pluripotency-related Sox-Oct motif-containing loci (Pou5f1, Nanog and Sox2), while POUR3 factor specific MORE- , Lingo1, and Foxo1).

epiblast-to-naive ESC 변환 결과와 동일하게, 현저한 Klf4 표적은 손상된 분열에 영향을 받지 않았다. Jerabek et al. 이 연구에서 Oct6의 돌연변이가 Oct6을 다능성 유도 물질로 전환시킨 MORE 모티프에 대한 동종이량체화를 감소시켰다. MORE 모티프인 POU3 요소의 homodimerization을 담당하는 잔여물인 methionine 151은 POUhd의 맨 끝에 위치한다. 비교적 큰 Klf4와 POU3 인자의 상대적으로 짧은 CTD의 융합은 POU TF 영역의 영역에 의존하는 Sox2와의 이종이량체화에 영향을 미치지 않으면서 POU TF의 동종이량체화능을 잠재적으로 방해할 수 있다.Similar to the epiblast-to-naive ESC conversion results, the significant Klf4 target was not affected by the damaged cleavage. Jerabek et al. In this study, the mutation of Oct6 reduced homodimerization to the MORE motif that converted Oct6 to a multipotent inducer. Methionine 151, the residue responsible for homodimerization of the MORE motif, POU3, is located at the end of POUhd. Fusion of relatively short CTDs with relatively large Klf4 and POU3 factors can potentially interfere with homodimerization of POU TF without affecting heterodimerization with Sox2, which is dependent on the region of the POU TF region.

종합하면, pcBKSM의 예기치 않은 iPSC 생성 능력은 BrN4-F2A-Klf4의 불완전한 절단으로 인해 발생한다. 이 기능은 다른 신경 관련 POU 인자로 다분화능을 리프로그래밍 할 수 있게 한다.Taken together, the unexpected iPSC generation capability of pcBKSM is caused by incomplete cleavage of BrN4-F2A-Klf4. This function allows reprogramming of multiple differentiability with other neural-related POU factors.

Claims (4)

다음 단계를 포함하는 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법:
Oct4 프로모터에 작동가능하게 연결된 CRE(Cre-recombinase) 유전자 코딩 핵산서열, 상기 CRE 유전자 활성화에 의해 제거되는 loxP 코딩 핵산서열, 및 loxP 제거 시 발현되는 형광 단백질 코딩 핵산서열을 포함하는 체세포를 준비하는 체세포 준비 단계;
상기 체세포에 Brn4, Klf4, Sox2 및 cMyc를 코딩하는 핵산 서열을 개별적으로 코딩하는 각각의 벡터를 도입하는 형질 도입 단계; 및
상기 체세포를 배양하여 형광이 발현되면 교차분화세포가 만능성 상태를 경유하여 생성되었다고 판단하는 판단 단계.
A universal state of crossed differentiation cell comprising the steps of:
(Cre-recombinase) gene coding sequence operably linked to the Oct4 promoter, a loxP coding nucleic acid sequence removed by the CRE gene activation, and a somatic cell containing a fluorescent protein coding nucleic acid sequence expressed upon loxP removal Preparation phase;
A transfection step of introducing into said somatic cell each vector that individually codes a nucleic acid sequence encoding Brn4, Klf4, Sox2 and cMyc; And
And determining that the crossed differentiated cells are generated via the pluripotent state when the somatic cells are cultured and fluorescence is expressed.
제1항에 있어서, 상기 형광 단백질은 EYFP(Enhanced yellow fluorescent protein)인 것인, 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법.The method of claim 1, wherein the fluorescent protein is EYFP (Enhanced yellow fluorescent protein). 제1항에 있어서, 상기 체세포는 섬유아세포인 것인, 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법.The method according to claim 1, wherein the somatic cell is a fibroblast. 제1항에 있어서, 상기 교차분화세포는 유도신경줄기세포인 것인, 교차분화세포의 만능성 상태 경유 확인방법.2. The method of claim 1, wherein the cross-differentiating cells are inducible neural stem cells.
KR1020180120720A 2017-10-10 2018-10-10 Method of confirming that direct reprogramming cell is in sate pluripotent stem cell KR102117894B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170129061 2017-10-10
KR20170129061 2017-10-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190040479A true KR20190040479A (en) 2019-04-18
KR102117894B1 KR102117894B1 (en) 2020-06-03

Family

ID=66285018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180120720A KR102117894B1 (en) 2017-10-10 2018-10-10 Method of confirming that direct reprogramming cell is in sate pluripotent stem cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102117894B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102249776B1 (en) * 2019-11-25 2021-05-10 연세대학교 산학협력단 Improved reprogramming system in vivo and a method for cell conversion using thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120124290A (en) * 2011-05-03 2012-11-13 건국대학교 산학협력단 Method of confirming that iEpiSCs has been generated through direct reprogramming using X-GFP reporter system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120124290A (en) * 2011-05-03 2012-11-13 건국대학교 산학협력단 Method of confirming that iEpiSCs has been generated through direct reprogramming using X-GFP reporter system

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Adele G Marthaler et al, PLOS ONE (2013), vol 8, issue 12, e85138, pp 1-11. *
Sung Min Kim et al, Nature Protocols (2014), vol 9, pp 871-881. *
Sung Min Kim et al, Stem Cell Research (2016), vol 16, pp460-468. *
Sung Min Kim et al, The Journal of Biological Chemistry (2016), vol 291(27), pp 14199-14212. *
Syandan Chakraborty et al, PLOS ONE (2013), vol 8, issue 5, e64342, pp 1-10. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102249776B1 (en) * 2019-11-25 2021-05-10 연세대학교 산학협력단 Improved reprogramming system in vivo and a method for cell conversion using thereof
WO2021107530A1 (en) * 2019-11-25 2021-06-03 연세대학교 산학협력단 Improved in vivo reprogramming system and cell conversion method using same
CN114787366A (en) * 2019-11-25 2022-07-22 延世大学校产学协力团 Improved in vivo reprogramming system and method for cell transformation using the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR102117894B1 (en) 2020-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4183742B1 (en) Method for producing induced pluripotent stem cells
US9556454B2 (en) Generation of induced pluripotent stem (iPS) cells
JP5633075B2 (en) Vector material for preparing pluripotent stem cells and method for preparing pluripotent stem cells using the same
JP2017525347A (en) Enhanced reprogramming into iPS cells
JP2014506792A (en) Production of hematopoietic progenitor cells by programming
AU2012256014B2 (en) Use of Zscan4 and Zscan4-dependent genes for direct reprogramming of somatic cells
JP2019500910A (en) Methods and vectors for producing induced pluripotent stem cells without vectors
WO2011110051A1 (en) Inductive production of pluripotent stem cells using synthetic transcription factors
JP2020537522A (en) Enhanced reprogramming of somatic cells
US9963682B2 (en) Nuclear receptor and mutant thereof and the use of the same in the reprogramming of cells
KR102117894B1 (en) Method of confirming that direct reprogramming cell is in sate pluripotent stem cell
US8889412B2 (en) Methods of enhancing pluripotentcy
WO2016099971A1 (en) Methods and compositions for rapid generation of single and multiplexed reporters in cells
Zapata-Linares Identification and Characterization of pluripotency associated IncRNAs in human iPS cells
Chang Polycistronic lentiviral vector for hit and run reprogramming of mouse and human somatic cells to induced pluripotent stem cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant