Stem cells
Helena Fulkova
Institute of Animal Science
fulkova.helena@vuzv.cz
Why stem cells?
Genetic manipulation: Transgenics(knock-in/knock-out)
Tissue therapy
Stem cells
„Totipotent“ – zygote (2-cell stage embryo)
„Pluripotent“ – embryonic stem cells
„Multipotent“ (Unipotent) – adult stem cells
Stem cells II
Division
Asymmetric(1 stem cell + 1 differentiated cell)
Symmetric (2 stem cells)
Stem cells III
From embryos – ESC (embryonic), TSC(trophoblast), XEN cells ? (extraembryonicendoderm), Epi SC (epiblast - postimplantation)
Adult – testicular, ovarial ???, tissue specific(skin, liver…), mesenchymal (bone marrow,adipose tissue, peripheral blood …)
iPS cells – induced pluripotent stem cells
 Embryonic stem cells
First differentiation – blastocyst (ICM vs. TE)
Dependent upon Oct4 vs. Cdx2 expression
Blasto
ICM
TE
OctPS
Oct4
cdxPS
Cdx2
DAPIPS
DAPI
merge
merge
ESCs – embryonic stem cells
Human, mouse, Rhesus monkey (rabbit,rat)
From ICM cells
Expression:
– intacellular (Oct3/4 (Pou5f1), Nanog,Sox2 …)
- cell surface (SSEA1 – mo, SSEA4 – hu,TRA-1-60 and TRA-1-81 – hu)
Derivation and culture
Feeders vs. Feeder- free system
(MEFs, STOs, SNLs vs. Gelatin, Matrigel,3T3 cell matrix …)
DAPISSEA
SSEA
DAPI
SSEA1
Derivation and culture II
LIF (Leukemia inhibitory factor) – Mo
BMP – Mo
FGF – Hu (LIF independent)
Activin (inhibin A) /Nodal - Hu
FCS (ES tested) or KOSR
Differentiation - pluripotency
The ability to differentiate into all threegerm layers – ectoderm, mesoderm,endoderm (in vitro and in vivo)
Lineage specific markers:
Meso (muscles – skeletal, cardiac, blood …)
Ecto (skin, neuronal cells - CNS …)
Endo (digestive tube + derivatives)
In vitro differentiation
Mostly through EBs formation
betaTUB_BL6
βIII tubulin
TROMA
TROMA 1
betaTUB_BL6_DAPI
DAPI
MF20
MF20
In vivo – not applicable to human!
Chimera production – injection of ES cellsinto blastocysts
Teratoma formation – injection of ESCsinto immunodeficient mice (SCID)
chimera
Advantages
In vitro manipulation, large quantities(tissue engineering, genetic manipulations,germ line transmission …)
Excellent model for random Xchromosome inactivation, generaldifferentiation mechanism
Hope for cell (tissue) based therapy - Hu
Problems
Very sensitive cells – fast differentiation
Unstable karyotype
– loss of sex chromosomes
- trisomy of chromosome 8
… a BIG problem for possiblebiotechnologies and tissue therapy
FISH2
FISH – chrom X, chrom 8
untitled153
Normal
Abnormal
Induced Pluripotent Stem cells –iPS cells
Possible application – cell therapy
Induction of ES-like cells from cell cultures
Viral transduction or transfection
Problems
Highly inefficient
Manipulation of oncogenes (cancer-like cells –c-myc/klf4/p53)
No ESCs conditions – no iPS cell culture…impractical for tissue engeneering
Worse differentiation
Transgenics
Knock-in – ESCs/pronucleus injection(random integration, no of copies?)
→ chimera production/breeding or transferof embryos to recipient females
Knock-out – ESCs/pronucleus injection(Zn finger nucleases)
Zinc finger nucleases
Possible use in KO experiments withoutESCs
Zinc finger DNA-binding domains + DNA-cleavage domains (Fok I)
Possible to use without ESCs step
 
Geurts AM, Cost GJ, Freyvert Y, et al. (July 2009). "Knockout rats via embryo microinjection of zinc-finger nucleases"Science 325 (5939): 433.
Good laboratory practice
Cell culture
ESC characterization
Cell culture
Dedicated area – restricted access
Keep a good record of lines (lines,clones…)
Use cell culture tested reagents(ESC tested)
Mycoplasma testing
ESCs characterization
Karyotype (every 5th passage)
Markers of pluripotency (IF, RT PCR)
Differentiation (all 3 germ layers – at leastin vitro … see NIH page for hESCsregistry and rules for submitting a newline)
Thank you for your attention!