Hepatocyte growth factor enhances the generation of high-purity oligodendrocytes from human embryonic stem cells

Generation of homogeneous oligodendrocytes as donor cells is essential for human embryonic stem cell (hESC)-based cell therapy for demylinating diseases. Herein we present a novel method for efficiently obtaining mature oligodendrocytes from hESCs with high purity (79.7 +/- 6.9%), using hepatocyte growth factor (HGF) and G5 supplement(containing insulin, transferrin, selenite, biotin, hydrocortisone, basic fibroblast growth factor and epidermal growth factor) in a four-step method. We induced hESCs into neural progenitors (NP) with HGF (5 ng/ml) and G5 (1 x) supplemented medium in an adherent differentiation system. The purified NPs were amplified in suspension as neurospheres for 1 month, and terminal oligodendrocyte differentiation was then induced by G5 supplement withdrawal and HGF treatment (20 ng/ml). The cells generated displayed typical morphologies of mature oligodendrocytes and expressed oligodendrocyte markers O4 and myelin basic protein (MBP). Our result revealed that HGF significantly enhanced the proliferation of hESC-derived NPs and promoted the differentiation as well as the maturation of oligodendrocytes from NPs. Further studies suggest that HGF/c-Met signaling pathway might play an important role in oligodendrocyte differentiation in our system. Our studies provide a means for generating the clinically relevant cell type and a platform for deciphering the molecular mechanisms that control oligodendrocyte differentiation. (C) 2009 International Society of Differentiation. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

雨蛙皮肤分泌液中两种活性蛋白结构和功能的研究

在本研究中我们首次从雨蛙皮肤分泌液中分离得到了一种神经毒素（命名为Anntoxin）和一种干细胞自我更新支持因子（命名为AnSF）。随后，我们通过构建雨蛙皮肤cDNA 文库，利用特异引物筛选到Anntoxin 和AnSF 的cDNA 编码序列，前者的Gene Bank 登录号为FJ598043，后者还在等待分配登录号。Anntoxin 具有60 个氨基酸，是一种Kunitz 类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂，构建Anntoxin 的3D-NMR 溶液结构，证实Anntoxin 不同于有三对二硫键（键组合模式：1-6，2-4，3-5）的Kunitz 类型丝氨酸蛋白酶抑制剂，它只有两对二硫键（组合模式：1-4，2-3）。AnSF 具有123 个氨基酸，在C 端具有和Calmadolin 同源的两个EF 手指结构，能够支持人类胚胎干细胞（hESC）和猴神经干细胞（rNSC）的自我更新。为了进行Anntoxin 的生物活性和结构分析，我们在体外成功表达了 Anntoxin，获得了大量的重组Anntoxin（rAnntoxin）。经过生物活性分析， rAnntoxin 和天然分离到的Anntoxin 生物活性相当，都具有很强的胰蛋白酶抑制剂活性。Anntoxin 是一种Kunitz 类型的丝氨酸蛋白酶抑制剂，和来源于芋螺（Cone Snail）的神经毒素Conkunitzin-S1，黑色眼镜蛇毒液（black cobra, Dendroaspis polylepis polylepis）的树突毒素δ-DaTX 或蛋白酶抑制剂K 分别具有32.8%和36.7%的相同序列，和鱼类（fish）来源的Stonustoxin 也有一定的同源性。利用膜片钳技术分别检测Anntoxin 对大鼠背根神经节（rat DRG）上Na+通道，K+通道，Ca2+通道的作用，结果证明Anntoxin 对河豚毒素敏感（TTX-S）的钠离子通道（Nav）有较强的抑制活性，对 K+通道，Ca2+通道作用不明显。随后我们在非洲爪蟾卵母细胞上表达几种典型和常用于测试对亚型K+通道作用的Kv1.1，Kv1.2，Kv1.3，Kv2.1 和 Kv4.2，Kv4.3，Anntoxin 对这些亚型K+通道上的K+电流都没有明显影响。我们成功构建了Anntoxin 的3D-NMR 溶液结构（NMR 号：PDB ID 2KCR， BMRB ID 16094），证实Anntoxin 具有典型的Kunitz 结构，由反向平行的 β–折叠片和α–螺旋及转角组成梨形结构。利用RT-PCR，WesternBlot 以及 ELISA 技术，发现在皮肤、脑、肝、胃和肠中都能检测Anntoxin mRNA 转录，但只在皮肤、脑、肝和胃中有蛋白表达，表达量分别为29.5、5.39、 4.80 和2.02 微克/克鲜重，可以看出Anntoxin 在皮肤中大量表达，是皮肤分泌液中非常重要的组成部分。因为皮肤是雨蛙接触外界的第一屏障，雨蛙的生存环境中存在很多潜在威胁，比如微生物、吸血昆虫、鸟类、爬行动物、哺乳动物等，所以Anntoxin 有可能是雨蛙适应环境的重要化学武器，于是我们测试了Anntoxin 对甜菜夜蛾幼虫（Laphygma exigua Hubner）、水蛇（Enhydris plumbea）、鹌鹑（Coturnix coturnix）、昆明小鼠（Kunming mice）的急性毒性，其LD50 分别为50，450，2500 和3000 微克/千克体重，说明在华西雨蛙皮肤中大量表达的Anntoxin 对几类潜在天敌确实有较强的杀灭作用。为了检测AnSF 的生物学活性，我们在体外成功表达了AnSF，获得了大量rAnSF。设计三个浓度梯度10、100 和500ng/ml，把AnSF 和hESC 共培养，发现在10~100 ng/ml 浓度时对hESC 的自我更新有支持作用；设计三个浓度梯度10、100 和500ng/ml，把AnSF 和rNSC 共培养，发现在 10ng/ml 时对rNSC 的自我更新有较强的支持作用。在超过500ng/ml 高浓度时，AnSF 对hESC 和rNSC 都有明显的细胞毒性作用，对rNSC 的毒性作用更明显。利用RT-PCR 技术，我们检测了雨蛙的皮肤、肌肉、肝脏、胰脏、胃、肠、心脏和脑，AnSF 只在皮肤中有少量表达。这表明AnSF 可能只参与雨蛙皮肤干细胞库的维持，保持皮肤内环境稳定，因为蛙类的皮肤细胞要负责产生大量活性物质参与先天免疫和抗氧化等重要的生理活动，需要经常更新，而AnSF 的存在可能保证雨蛙皮肤干细胞库容量稳定，不断分化出各种成熟的皮肤细胞来使皮肤能够得到足够和及时的更新，保证其功能的正常行使。所以AnSF 是维持华西雨蛙皮肤内环境稳定的重要物质。