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Gene targeting in embryonic stem (ES) cells remains best practice for introducing complex mutations into the mouse germline. One aspect in this multistep process that has not been streamlined with regard to the logistics and ethics of mouse breeding is the efficiency of germline transmission: the transmission of the ES cell-derived genome through the germline of chimeras to their offspring. A method whereby male chimeras transmit exclusively the genome of the injected ES cells to their offspring has been developed. The new technology, referred to as goGermline, entails injecting ES cells into blastocysts produced by superovulated homozygous Tsc22d3 floxed females mated with homozygous ROSA26-Cre males. This cross produces males that are sterile due to a complete cell-autonomous defect in spermatogenesis. The resulting male chimeras can be sterile but when fertile, they transmit the ES cell-derived genome to 100% of their offspring. The method was validated extensively and in two laboratories for gene-targeted ES clones that were derived from the commonly used parental ES cell lines Bruce4, E14, and JM8A3. The complete elimination of the collateral birth of undesired, non-ES cell-derived offspring in goGermline technology fulfills the reduction imperative of the 3R principle of humane experimental technique with animals. genesis 54:326-333, 2016. © 2016 The Authors. Genesis Published by Wiley Periodicals, Inc.
In the mouse, most mature olfactory sensory neurons (OSNs) express one allele of one gene from the repertoire of ~1100 odorant receptor (OR) genes, which encode G-protein coupled receptors (GPCRs). Axons of OSNs that express a given OR coalesce into homogeneous glomeruli, which reside at conserved positions in the olfactory bulb. ORs are intimately involved in ensuring the expression of one OR per OSN and the coalescence of OSN axons into glomeruli. But the mechanisms whereby ORs accomplish these diverse functions remain poorly understood. An experimental approach that has been informative is to substitute an OR genetically with another GPCR that is normally not expressed in OSNs, in order to determine in which aspects this GPCR can serve as surrogate OR in mouse OSNs. Thus far only the β2-adrenergic receptor (β2AR, Ardb2) has been shown to be able to serve as surrogate OR in OSNs; the β2AR could substitute for the M71 OR in all aspects examined. Can other non-olfactory GPCRs function equally well as surrogate ORs in OSNs? Here, we have generated and characterized two novel gene-targeted mouse strains in which the mouse melanocortin 4 receptor (Mc4r) or the mouse dopamine receptor D1 (Drd1a) is coexpressed with tauGFP in OSNs that express the OR locus M71. These alleles and strains are abbreviated as Mc4r→M71-GFP and Drd1a→M71-GFP. We detected strong Mc4r or Drd1a immunoreactivity in axons and dendritic knobs and cilia of OSNs that express Mc4r or Drd1a from the M71 locus. These OSNs responded physiologically to cognate agonists for Mc4r (Ro27-3225) or Drd1a (SKF81297), and not to the M71 ligand acetophenone. Axons of OSNs expressing Mc4r→M71-GFP coalesced into glomeruli. Axons of OSNs expressing Drd1a→M71-GFP converged onto restricted areas of the olfactory bulb but did not coalesce into glomeruli. Thus, OR functions in OSNs can be substituted by Mc4r or Drd1a, but not as well as by β2AR. We attribute the weak performance of Drd1a as surrogate OR to poor OSN maturation.
Die Analyse früher Entwicklungsstadien von Säugetierembryonen und daraus gewonnener Stammzelllinien kann entscheidende Erkenntnisse im Bereich der Reproduktionsbiologie und der regenerativen Medizin hervorbringen. Dabei spielt die Maus, als geeignetes Modellsystem für die Übertragbarkeit auf den Menschen eine wichtige Rolle, in erster Linie weil die Blastozysten der Maus verglichen mit menschliche Blastozysten eine morphologische Ähnlichkeit aufweisen. Humane embryonale Stammzelllinien haben großes Potential für die Anwendung in der regenerativen Medizin und vergleichend dazu wurde Gen-Targeting in embryonalen Stammzellen verwendet, um tausende neuer Mausstämme zu generieren. Die Gewinnung embryonaler Stammzellen erfolgt im Blastozystenstadium, diese können dann nach Injektion in eine andere Blastozyste zur Entwicklung aller Gewebearten, einschließlich der Keimbahngewebe, beitragen (Martin, 1981; Evans and Kaufman 1981).
Ursache einer Fehlgeburt können vor allem Defekte in der Entwicklung des Trophoblasten und des primitive Entoderms (PrE) sein, dabei sind ca. 5 % der Paare betroffen die versuchen ein Kind zu bekommen (Stephenson and Kutteh, 2007). Eine Untersuchung dieser Zelllinien im Mausmodell könnte weitere Erkenntnisse für die Gründe einer Fehlentwicklung liefern. Trophoblasten Stammzelllinien können aus den Blastozysten der Maus und dem extraembryonalen Ektoderm von bereits implantieren Embryonen gewonnen werden (Tanaka et al., 1998). Diese Zelllinien geben Aufschluss über die Entwicklung des Trophoblasten, fördern die Entwicklung der Plazenta und sind gleichzeitig ein gutes Modellsystem um die Implantation des Embryos im Uterus näher zu untersuchen. Zellen des primitive Entoderms (PrE) beeinflussen das im Dottersack vorhandene extraembryonale Entoderm, welches dort als “frühe Plazenta” fungiert und für die Versorgung des Embryos mit Nährstoffen zuständig ist (Cross et al., 1994). Des Weiteren besitzt das Entoderm einen induktiven Einfluss auf die Bildung von anterioren Strukturen und die Bildung von Endothelzellen sowie Blutinseln (Byrd et al., 2002).
Extraembryonale Endodermstammzellen (XEN Zellen) können aus Blastozysten gewonnen und in embryonale Stammzellen (ES-Zellen) umgewandelt werden (Fujikura et al., 2002; Kunath et al., 2005). Es war jedoch nicht bekannt, ob XEN-Zellen auch aus Postimplantations-Embryonen gewonnen werden können. XEN-Zellen tragen in vivo zur Entwicklung des Darmendoderms bei (Kwon et al., 2008; Viotti et al., 2014) und könnten als alternative, selbsterneuernde Quelle für extraembryonale Endoderm-abgeleitete Zellen dienen, die zur Herstellung von Geweben für die regenerative Medizin verwendet werden könnten (Niakan et al., 2013).
In der Embryogenese der Maus zeigt sich an Tag E3.0 eine kompakte Morula die sich allmählich in das Trophektoderm (TE) differenziert, welches wiederum den Embryonalknoten (“innere Zellmasse”) umschließt (Johnson and Ziomek, 1981). Ein wichtiger Schritt im Rahmen der Entwicklung findet an Tag E3.5 statt, in diesem Zeitraum gehen aus dem Embryonalknoten der pluripotente Epiblast und das primitive Entoderm hervor. Im späten Blastozystenstadium an Tag E4.5 liegt das PrE als Zellschicht entlang der Oberfläche der Blastocoel-Höhle. Aus dem Epiblast entwickeln sich im weiteren Verlauf der Embryo, das Amnion und das extraembryonale Mesoderm des Dottersacks. Die Zellen des Trophektoderm führen zur Entwicklung der Plazenta. Das PrE differenziert sich im Zuge der Weiterentwicklung in das viszerale Entoderm (VE) und das parietale Entoderm (PE) des Dottersacks (Chazaud et al., 2006; Gardner and Rossant, 1979; Plusa et al., 2008). VE umgibt den Epiblast und extraembryonisches Ektoderm (ExE). PE-Zellen wandern entlang der inneren Oberfläche von TE und sezernieren zusammen mit Trophoblasten-Riesenzellen Basalmembranproteine, um die Reichert-Membran zu bilden (Hogan et al., 1980). Die Reichert-Membran besteht aus Basalmembranproteinen, einschließlich Kollagenen und Lamininen, die zwischen den parietalen Endoderm- und Trophoblastzellen liegen. Diese Membran wirkt als ein Filter, der dem Embryo den Zugang zu Nährstoffen ermöglicht, während er eine Barriere zu den Zellen der Mutter bildet (Gardner, 1983).
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Extraembryonic endoderm stem (XEN) cell lines can be derived and maintained in vitro and reflect the primitive endoderm lineage. Platelet-derived growth factor receptor alpha (PDGFRA) is thought to be essential for the derivation and maintenance of mouse XEN cell lines. Here, we have re-evaluated this requirement for PDGFRA. We derived multiple PDGFRA-deficient XEN cell lines from postimplantation and preimplantation embryos of a PDGFRA-GFP knockout strain. We also converted PDGFRA-deficient embryonic stem cell lines into XEN cell lines chemically by transient culturing with retinoic acid and Activin A. We confirmed the XEN profile of our 12 PDGFRA-deficient cell lines by immunofluorescence with various markers, by NanoString gene expression analyses, and by their contribution to the extraembryonic endoderm of chimeric embryos produced by injecting these cells into blastocysts. Thus, PDGFRA is not essential for the derivation and maintenance of XEN cell lines.
Efficient derivation of extraembryonic endoderm stem cell lines from mouse postimplantation embryos
(2016)
Various types of stem cell lines have been derived from preimplantation or postimplantation mouse embryos: embryonic stem cell lines, epiblast stem cell lines, and trophoblast stem cell lines. It is not known if extraembryonic endoderm stem (XEN) cell lines can be derived from postimplantation mouse embryos. Here, we report the derivation of 77 XEN cell lines from 85 postimplantation embryos at embryonic day E5.5 or E6.5, in parallel to the derivation of 41 XEN lines from 69 preimplantation embryos at the blastocyst stage. We attain a success rate of 100% of XEN cell line derivation with our E5.5 whole-embryo and E6.5 disaggregated-embryo methods. Immunofluorescence and NanoString gene expression analyses indicate that the XEN cell lines that we derived from postimplantation embryos (post-XEN) are very similar to the XEN cell lines that we derived from preimplantation embryos (pre-XEN) using a conventional method. After injection into blastocysts, post-XEN cells contribute to extraembryonic endoderm in chimeras at E6.5 and E7.5.