ziPS cells for Biomedicine: zebrafish induced pluripotent stem cells for disease modeling

Sebrafisk er en veldig god dyremodell for modellering av sykdommer fordi den er relativt lett og billig å holde i laboratoriet. Stamceller er en veldig nyttig celletype for modellering av sykdom på laboratoriet. Ved oppstart av prosjektet, var ingen stamceller fra Sebrafisk tilgjengelige. I dette prosjektet har vi klart å isolere celler fra Sebrafisk-embryo i tidlig utviklingsfase, mens de fortsatt er pluripotente, og dyrke disse cellene på laboratoriet. Vi har etablert metoder for isolering og dyrkning av embryo-deriverte celler. Vi har testet mange kombinasjoner av faktorer (f. eks. vekstfaktorer) som er nødvendige for optimale cellekulturbetingelser med tanke på å få så mange celler som mulig med pluripotente karakteristikker. F. eks., har det vært viktig å påvise at genekspresjonsprofiler i cellene likner ekspresjonsprofiler i embryoer cellene kom fra. Vi har også kartlagt, vha. molekylære metoder, ekspresjonsprofiler for alle gener i embryoer under utviklingen (noe som kalles hel-genom-ekspresjonsprofilering), samt såkalte epigenetiske modifikasjoner av DNA og kromosomer på hel-genom-nivå, også under utviklingen. Resultatene viser at et molekylært program av genuttrykk «settes opp» i embryoer på et stadium før selve embryoet starter sitt eget gen ekspresjonsprogram. Disse funnene ble høyt profilert både i publikasjoner og vha. mange foredrag på verdensbasis. Videre har vi vist hvordan eksponering av embryoer og celler for en rekke kjemikalier (eller «drugs») påvirker epigenetiske tilstander, genuttrykk, utvikling og cellehelse. Gjennom dette arbeidet har vi også utviklet mer nøyaktige metoder for analyse av Sebrafisk-genekspresjonsprofiler i embryoer og celler, samt nye bioinformatikk (data)-metoder for analyser av epigenetiske data og for å kunne vise hvordan kromosomer er organisert i en tre-dimensjonal struktur i cellene. Det er viktig å nevne at disse metodene kan brukes i alle celletyper og arter, ikke bare i Sebrafisk. I tillegg har vi injisert embryo-deriverte celler inn i andre embryoer for å finne ut hvorledes celler inkorporeres i forskjellige type vev under utviklingen. Resultatene viser at fluoresende (lysende) celler integreres i flere typer vev i fisken. Dette betyr at celler er «multipotente»: de kan bidra til flere typer vev, men ikke alle. Vi kunne derimot ikke finne noen fluoresende celler som liknet egg eller sperm. Dette betyr at disse embryo-deriverte cellene ikke er «pluripotente» og ikke kan gi opphav til en hel fisk. Dog, de embryo-deriverte cellene som vi kaller for «stem-like cells», produsert i dette studiet, kan dyrkes og brukes til testing av kjemikalier og andre komponenter (f. eks toksiner) til biomedisinsk anvendelse.

Direct reprogramming of fibroblasts to a pluripotency through generation of induced pluripotent stem cells (iPS cells) has sparked studies on how to create patient-specific pluripotent cells to study disease and develop drug screens. However, despite the pre-eminence of mouse in modeling human disease, several aspects of murine and human biology limit its use in high-throughput and in vivo genetic and therapeutic screening. Zebrafish has become an attractive organism for embryologically and genetically tr actable disease modeling, but cell types suitable for such investigations have been lacking. The goal of this proposal (ziPS CELL) is to produce pluripotent zebrafish ziPS cells for the study of disease and drug screening in vivo. Advantages of using ziPS cells over human cells in biomedicine are enablement of high-throughput and relatively cheap disease study and drug screens at several stages of development and in several generations. The approach will consist of 1) inducing pluripotency in embryo-deriv ed and somatic cells by expressing pluripotency-associated factors which we already have identified by RNA deep-sequencing, 2) enhancing pluripotency of the cells with specific inhibitors, 3) generating chimeric fish from ziPS cells and 4) providing proof -of-concept of using ziPS cells in a biomedical context. Scientific competence lays in the combined expertise of the PIs and collaborators in all aspects of the project. The project is led by the two PIs and will be undertaken at the Norwegian School of V eterinary Sciences and at the University of Oslo Medical School. Stays abroad (GIS and NUS, Singapore) are planned but not finalized. This is a 3-year project for two motivated postdocs (tbn) already versed in pluripotency and/or zebrafish embryology.