EMBRYONIC STEM CELLS/INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS  1

Graduate  School  of  Frontier  Biosciences,  2 and  Department  of  Pathology,  Medical  6 School,  Research  Institute  for  Microbial  Diseases, Osaka University, 2‐2 Yamada‐oka,  3 Suita,  Osaka  565‐0871,  Japan;  Laboratory  4 of  Molecular  Embryology,  Laboratory  of  Stem Cell Biology, Department of Bioscienc‐ es, Kitasato University School of Science,  1‐ 15‐1,  Kitasato,  Minami‐ku,  Sagamihara,  5 Kanagawa 252‐0373, Japan;  Department of  9 Anatomy  and  Cell  Biology,  Department  of  Molecular  Genetics,  Graduate  School  of  Medicine,  Kyoto  University,  Yoshida‐kanoe‐ cho,  Sakyo‐ku,  Kyoto  606‐8501,  Japan;  7 Research  Team  for  Geriatric  Medicine  (Vascular  Medicine),  Tokyo  Metropolitan  Institute  of  Gerontology,  Sakaecho  35‐2,  Itabashi‐ku,  Tokyo  173‐0015,  Japan.;  8 Precursory Research for Embryonic Science  10 and  Technology  (PRESTO),  Exploratory  Research  for  Advanced  Technology  (ERATO),  Japan  Science  and  Technology  Agency  (JST),  Yoshida‐kanoe‐cho,  Sakyo‐ku,  11 Kyoto 606‐8501, Japan;  Center for iPS Cell  Research and Application, Kyoto University,  53  Kawahara‐cho,  Shogoin  Yoshida,  Sakyo‐ 12 ku,  Kyoto  606‐8507,  Japan.;  Institute  for  Integrated  Cell‐Material  Sciences,  Kyoto  University,  Yoshida‐Ushinomiya‐cho,  Sakyo‐ 13 ku, Kyoto 606‐8501, Japan.;  Core Research  for  Evolutional  Science  and  Technology  (CREST),  JST,  7  Gobancho,  Chiyoda‐ku,  To‐ kyo 102‐0075, Japan. Correspondence:  Tohru  KIMURA,  PhD,  Laboratory  of  Molecular  Embryology,  La‐ boratory  of  Stem  Cell  Biology,  Department  of Biosciences, Kitasato University School of  Science,  1‐15‐1,  Kitasato,  Minami‐ku,  Sagamihara,  Kanagawa  252‐0373,  Japan,  Tel:  +81‐042‐778‐8864;  Fax:  +81‐042‐778‐ 8864,  E‐mail:  tkimura@  kitasato‐u.ac.jp;  Grant  support:  Supported  in  part  by  the  Ministry  of  Education,  Science,  Sports  and  Culture,  and  by  PRESTO,  ERATO,  CREST  of  JST.; The English in this document has been  checked  by  at  least  two  professional  edi‐ tors, both native speakers of English.

Induction of Primordial Germ Cell‐Like Cells  From Mouse Embryonic Stem Cells by ERK Sig‐ nal Inhibition TOHRU KIMURA1,2,3,4, YOSHIAKI KAGA1, HIROSHI OHTA5, MIKA  ODAMOTO3,4, YOICHI SEKITA2, KUNPENG LI1, NORIKO YAMANO1,  KEITA FUJIKAWA3,4, AYAKO ISOTANI6, NORIHIKO SASAKI7,  MASASHI TOYODA7, KATSUHIKO HAYASHI5,8, MASARU OKABE6,  TAKASHI SHINOHARA9, MITINORI SAITOU5,10,11,12, AND TORU  NAKANO1,2,13 Key Words. Primordial Germ Cells • In Vitro Differentiation • Embryonic  Stem cells • Mesoderm • ERK Signal

ABSTRACT Primordial germ cells (PGCs) are embryonic germ cell precursors. Specifica‐ tion of PGCs occurs under the influence of mesodermal induction signaling  during  in  vivo  gastrulation.  Although  bone  morphogenetic  proteins  and  Wnt signaling play pivotal roles in both mesodermal and PGC specification,  the  signal  regulating  PGC  specification  remains  unknown.  Coculture  of  mouse  embryonic  stem  cells  (ESCs)  with  OP9  feeder  cells  induces  meso‐ dermal differentiation in vitro. Using this mesodermal differentiation  sys‐ tem,  we  demonstrated  that  PGC‐like  cells  were  efficiently  induced  from  mouse  ESCs  by  ERK  signaling  inhibition.  Inhibition  of  ERK  signaling  by  a  MEK  inhibitor  upregulated  germ  cell  marker  genes  but  downregulated  mesodermal genes. In addition, the PGC‐like cells showed downregulation  of  DNA  methylation  and  formed  pluripotent  stem  cell  colonies  upon  treatment with retinoic acid. These results show that inhibition of ERK sig‐ naling  suppresses  mesodermal  differentiation  but  activates  germline  dif‐ ferentiation program in this mesodermal differentiation system. Our find‐ ings provide a new insight into the signaling networks regulating PGC spec‐ ification. STEM CELLS 2014; 00:000–000

Received  August  31,  2013;  accepted  for  publication June 06, 2014 ©AlphaMed Press  1066‐5099/2014/$30.00/0 This  article  has  been  accepted  for  publica‐ tion and undergone full peer review but has  not  been  through  the  copyediting,  typeset‐ ting,  pagination  and  proofreading  process  which may lead to differences between this  version  and  the  Version  of  Record.  Please  cite this article as doi: 10.1002/stem.1781

STEM CELLS 2014;00:00‐00 www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 



INTRODUCTION Gametes are derived from a founder population of pri‐ mordial  germ  cells  (PGCs)  [1],  and  the  specification  of  PGCs occurs under the influence of mesoderm‐inducing  signals. On embryonic day (E) 7.0 in mice, PGCs emerge  from  a  subset  of  epiblast  cells  that  migrate  to  the  extraembryonic  region  together  with  future  extraembryonic  mesoderm  cells  during  gastrulation.  PGCs return to the embryonic region on E7.75 and col‐ onize the genital ridges by E11.5. After settlement into  the genital ridges, germ cells undergo spermatogenesis  and  oogenesis  to  produce  sperm  and  oocytes,  respec‐ tively.  During specification to germ lineage cells, the gene  expression profiles and epigenetic status of the cells are  drastically  altered  by  Prdm1  (Blimp1),  Prdm14,  and  Tcfap2c  (AP2 ),  transcription  factors  essential  for  PGC  specification  [2‐6].  Germ  cell‐specific  genes,  such  as  Dppa3 and Dnd1, are induced in the nascent PGCs, i.e.,  the PGCs that  are just emerging in the extraembryonic  region on E7.0 [7]. In contrast, mesoderm‐related genes  are  repressed  in  the  nascent  PGCs,  although  they  are  transiently  induced  by  the  mesoderm‐inducing  signals  [7,  8].  PGCs  undergo  epigenetic  reprogramming,  which  involves genome‐wide alterations of repressive histone  modification and DNA methylation patterns [9]. All the‐ se changes are presumed crucial for the determination  of cell fate toward PGCs.  Two  signaling  pathways,  bone  morphogenetic  pro‐ tein (BMP) and Wnt play important roles in PGC specifi‐ cation.  BMP4  secreted  from  extraembryonic  ectoderm  is  critical  for  PGC  formation  in  vivo  [10].  In  addition,  BMP4  is sufficient  to  induce  Prdm1 and  Prdm14 in  the  epiblast and to promote the formation of PGC‐like cells  from  the  epiblast  [11,  12].  While  BMP8b  emitted  from  extraembryonic  ectoderm  is  also  important  for  PGC  formation  [13],  its  function  is  to  restrict  the  inhibitory  signals  against  BMP4  outside  posterior  and  proximal  epiblast  cells  [12].  In  addition,  BMP2  from  visceral  en‐ doderm appears to augment the role of BMP4 to ensure  the  generation  of  a  sufficient  number  of  PGCs  [14].  Fi‐ nally,  Wnt3  enables  epiblast  cells  to  respond  to  BMP4  to form PGCs [12].  In  addition  to  the  roles  in  PGC  specification,  these  signals  are  involved  in  mesodermal  differentiation.  For  example,  Wnt3  is  required  for  formation  of  the  primi‐ tive  streak,  mesoderm,  and  node  [15].  Mice  deficient  for BMP4 have little or no mesodermal tissues, truncat‐ ed or disorganized posterior structures, and a reduction  in  extraembryonic  mesoderm  [16].  Similar  abnormali‐ ties  in  embryonic  and  extraembryonic  mesoderm  are  also observed in mice lacking BMP2 or BMP8b [14, 17].  Thus,  BMPs  and  Wnt3  regulate  differentiation  of  both  germline and mesodermal lineages in embryos from the  egg cylinder to gastrulation stages.  ERK  signaling  is  a  canonical  mitogen‐activated  pro‐ tein  kinase  (MAPK)  signal  [18].  This  signaling  pathway  www.StemCells.com 

initiates  with  activation  of  Ras  GTPase  by  growth  fac‐ tors.  Ras  then  activates  the  kinase  cascade,  which  se‐ quentially  activates  MAPKKK  (Raf),  MAPKK  (MEK),  and  MAPK (ERK). Finally, ERK phosphorylated by MEK trans‐ locates into the nucleus and activates several transcrip‐ tion factors such as SRF and Elk‐1. The ERK signal axis is  involved in various biological processes including prolif‐ eration, survival, and differentiation. In  this  study,  we  demonstrated  that  PGC‐like  cells  were induced from mouse embryonic stem cells (ESCs)  in  an  in  vitro  mesodermal  differentiation  system  using  OP9  feeder  cells.  When  seeded  onto  OP9  feeder  cells  without  leukemia  inhibitor  factor  (LIF),  ESCs  differenti‐ ate  into  a  variety  of  mesodermal  lineage  cells  [19‐24].  Using this mesodermal culture system, we demonstrat‐ ed  that  ERK  signaling  inhibition  suppressed  mesoderm  differentiation but promoted induction of PGC‐like cells.  A potential role of ERK signaling is discussed in the con‐ text  of  suppressing  mesodermal  programming  during  PGC specification.

MATERIALS AND METHODS Animals ICR  mice  were  purchased  from  Nihon  SLC  (Shizuoka,  Japan) and used for preparation of the PGCs. WBB6F1‐ W/Wv  mice  (Nihon  SLC)  were  used  for  transplantation  assay.  Animal  care  was  in  accordance  with  the  guide‐ lines  of  Osaka  University  and  Kyoto  University  for  ani‐ mal welfare.

Cell Lines The  male  Blimp1‐mVenus  and  stella‐ECFP  (BVSC)  ESCs  were  established  from  the  embryo  carrying  Blimp1  (Prdm1)‐promoter  driven  Venus  and  Stella  (Dppa3)‐ promoter  driven  CFP,  which  was  backcrossed  to  C57/BL6 mice more than six times [11]. The OP9 feeder  cells  were  used  for  mesodermal  differentiation  of  the  ESCs  [20,  21].  The  Sl/Sl‐m220  feeder  cells,  which  ex‐ press a membrane bound form of stem cell factor (SCF),  were used for derivation of embryonic germ cells (EGCs)  and EGC‐like cells [25].

Differentiation Induction The  BVSC  ESCs  were  maintained  with  Glasgow  Mini‐ mum  Essential  Medium  (Sigma‐Aldrich,  St.  Louis,  MO,  USA)  supplemented  with  10%  fetal  calf  serum  (FCS)  (JRH,  Lenexa,  KS,  USA),  1%  nonessential  amino  acids  solution (NEAA) (Gibco, Gaithersburg, MD, USA), 1 mM  sodium pyruvate (Gibco), 2.75 g/L sodium bicarbonate,  75 mg/L penicillin G, 50 mg/L streptomycin, 1000 U/mL  LIF, 1 μM 2‐mercaptoethanol, and 2 inhibitors (2i; 1 μM  of the MEK inhibitor PD0325901 and 3 μM of the GSK3  inhibitor CHIR99021) (Stemgent, Cambridge, MA, USA).  The  ESCs  were  cultured  without  2i  for  3  days  before  differentiation  induction.  The  ESCs  were  cultured  on  gelatin‐coated  dishes.  OP9  stromal  cells  were  cultured  ©AlphaMed Press 2014 

3  in  Minimum  Essential  Medium‐alpha  (Gibco)  supple‐ mented  with  20%  FCS  (JRH),  1%  NEAA  (Gibco),  2.2  g/L  sodium  bicarbonate,  2  mM  L‐glutamine  (Gibco),  75  mg/L penicillin G, and 50 mg/L streptomycin. The mes‐ odermal  differentiation  induction  of  ESCs  on  OP9  stro‐ mal  cells  was  described  previously  [20,  21].  The  cells  were  analyzed  using  a  BD  FACSAria  system  (BD  Biosci‐ ences, Franklin Lakes, NJ, USA) and photographed under  an  Olympus  IX70  and  IX71  inverted  microscope  (Olym‐ pus, Tokyo, Japan).

Derivation of EGCs Derivation  of  EGCs  was  performed  as  described  previ‐ ously [25, 26]. Briefly, gonadal cell suspension was pre‐ pared from E11.5 embryos. The cells  induced from the  BVSC ESCs were sorted using a BD FACSAria system. The  cells were seeded onto mitomycin C‐treated Sl/Sl‐m220  feeder  cells  and  cultured  with  Dulbecco's  modified  Ea‐ gle’s medium (Gibco) supplemented with 15% knockout  serum  replacement  (Gibco),  1%  NEAA,  1  mM  sodium  pyruvate, 1000 U/mL LIF, 20 ng/mL bFGF (R&D Systems,  Minneapolis,  MN,  USA)  and  2  μM  retinoic  acid  (RA;  Sigma‐Aldrich) for 5 days. The EGC colonies were visual‐ ized  by  staining  with  an  Alkaline  Phosphatase  Staining  Kit (Sigma‐Aldrich). The number of adherent PGCs at 8 h  post‐seeding  was  defined  as  the  number  of  seeded  PGCs.  Multilayered  colonies  with  more  than  20  cells  were  considered  to  be  EGC  colonies,  as  described  pre‐ viously [26, 27].

Chemicals The  small  molecule  compounds  used  were  the  follow‐ ing:  LY  294002  (Wako  Pure  Chemical,  Osaka,  Japan),  PS48 (Sigma‐Aldrich), PD0325901 (Stemgent), BI‐D1870  (Enzo,  Farmingdale,  NY,  USA),  SP600125  (Wako  Pure  Chemical),  SB203580  (Wako  Pure  Chemical),  SB431542  (Wako  Pure  Chemical),  LDN193189  (Stemgenet),  CHIR99021  (Stemgent),  and  Kempaullone  (Wako  Pure  Chemical).

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition  aformaldehyde (PFA) in phosphate‐buffered saline (PBS)  for  10  min.  The  fixed  cells  were  permeabilized  with  0.1%  Triton  X‐100  in  PBS  for  5  min,  and  blocked  with  10%  normal  goat  serum  (NGS)  and  3%  bovine  serum  albumin  (BSA)  in  PBS  for  1  h.  To  detect  5‐ methylcytosine (5meC), the cells were treated with 2 N  HCl for 10 min and neutralized with 0.1 M Tris‐HCl, pH  8,  for  10  min.  The  primary  antibodies  were  diluted  in  10%  NGS  and  3%  BSA  and  incubated  overnight  at  4ºC.  The  primary  antibodies  used  were  the  following:  anti‐ 5meC  (1:500  dilution,  162  33  D3;  BD,  Calbiochem,  La  Jolla,  CA,  USA),  anti‐H3K9me2  (1:200,  #07‐441;  Up‐ state/Millipore,  Billerica,  MA,  USA),  anti‐H3K27me3  (1:200, #07‐449; Upstate/Millipore), anti‐Ddx4 (1:1,000;  ab13840; Abcam, Cambridge, UK) and anti‐SSEA‐1 (1:50,  TM13;  Kyowa  Medex,  Tokyo,  Japan).  Appropriate  sec‐ ondary antibodies were used to detect the primary an‐ tibody  complexes  (1:200;  A11036,  Invitrogen),  and  the  specimens  were  incubated  with  4 ,6‐diamidino‐2‐ phenylindole (DAPI) (1 μg/mL) for 1 h. Immunofluores‐ cence  was  observed  using  an  LSM510  confocal  laser  scanning microscope (Carl Zeiss, Jena, Germany).

Bisulfite Sequencing The  genomic  DNAs  were  bisulfite‐treated  with  the  EpiTect  Plus  DNA  Bisulfite  Kit  (Qiagen).  Fully  or  semi‐ nested  PCR  was  performed  to  amplify  the  promoter  regions  as  described  previously  [28,  29].  Sequences  of  the  PCR  primers  are  listed  in  Supplementary  Table  S2.  PCR  amplification  was  carried  out  with  Ex  Taq  (Takara  Bio, Shiga, Japan) under the following conditions: 1 min  at 94°C followed by 35 cycles of PCR consisting of 30 sec  at  94°C,  30  sec  at  60°C,  and  30  sec  at  68°C.  The  PCR  products  were  purified  using QIAEXII Gel  Extraction  Kit  (Qiagen),  cloned  into  the  pGEM‐T  Easy  Vector  (Promega,  Madison,  WI),  and  sequenced  using  an  ABI  PRISM 3130 Genetic Analyzer (Applied Biosystems, Fos‐ ter City, CA).

Transplantation Assay Quantitative Reverse‐Transcription Polyme‐ rase Chain Reaction (qRT‐PCR) Total  RNA  was  isolated  using  the  RNeasy  Mini  Kit  (Qiagen,  Valencia,  CA,  USA).  Reverse  transcription  (RT)  was  performed  using  the  ThermoScript  RT‐PCR  System  (Invitrogen,  Carlsbad,  CA,  USA).  Quantitative  polymer‐ ase  chain  reaction  (qPCR)  was  performed  with  ABI  7900HT‐3 (SDS 2.3) (Applied Biosystems, Foster City, CA,  USA)  and  MX3000P  (Aligent  Technologies,  Santa  Clara,  CA, USA). The expression levels of each gene were nor‐ malized by expression of the housekeeping gene Rplp0  (Arbp: ribosomal protein large P0). The primer sequenc‐ es are listed in Supplementary Table S1.

Immunohistochemistry The  cells  were  cytospun  at  800  rpm  for  3  min  onto  3‐ aminopropyltriethoxysilane‐coated  slide  glasses  (Matsunami Glass, Osaka, Japan) and fixed with 4% par‐ www.StemCells.com 

The  BV+SC+  cells  were  induced  upon  OP9  feeder  cells  by  treatment  with  PD0325901  and  were  collected  on  day 4 after differentiation induction (Exp. No.1 and No.2  in  Table  1).  The  BV+  PGC‐like  cells  were  also  induced  through  epiblast‐like  cells  (EpiLCs)  under  chemically  defined,  serum‐free  condition,  as  described  previously  [11]  (Exp.  No.2  in  Table  1). The  same  BVSC  ES  cell  line  was  used  in  both  Exp.  No.1  and  No.2.  The  ESCs  main‐ tained  under  serum‐containing  medium  or  under  se‐ rum‐free condition were used in Exp. No.1 or Exp. No.2,  respectively.  Ten  thousand  cells  were  injected  into  W/WV  mutant  mouse  testes,  as  described  previously  [30].  Two  months  and  10  weeks  after  injection  (Exp.  No.1 and No.2, respectively), the recipients were killed  and all seminiferous tubules of the testes were carefully  examined  under  a  dissecting  microscope  to  examine  whether spermatogenesis occurred.

©AlphaMed Press 2014 



RESULTS In Vitro OP9 Mesodermal Differentiation In‐ duction System In this study, we used the BVSC ESC line, which carried  two  reporter  genes,  Blimp1  (Prdm1)‐promoter  driven  Venus  and  Stella  (Dppa3)‐promoter  driven  CFP  [11].  This  ES  cell  line  was  established  from  the  transgenic  mice  harboring  the  two  reporters.  Since  Blimp1‐Venus  (BV)  and  Stella‐CFP  (SC)  reporters  were  expressed  in  PGCs from E7.5 to E13.5 and from E8.5 to E15.5, respec‐ tively [31‐33], this ESC line allowed us to visualize PGC‐ like cells in culture.  The  BVSC  ESCs  were  maintained  in  the  medium  supplemented  with  FCS,  LIF,  and  2i  (Fig.  1A).  The  cells  formed round and dome‐shaped colonies (Fig. 1B). The  ESCs were negative for SC expression, but approximate‐ ly 80% of the cells expressed BV under this culture con‐ dition.  Before  differentiation  induction,  the  ESCs  were  cultured  with  FCS  and  LIF,  but  without  2i,  for  3  days.  Morphology  of  the  colonies  changed  to  monolayered,  epiblast‐like colonies (Fig. 1B). The expression of BV and  SC was not altered by the removal of 2i. The cells were  then seeded onto OP9 feeder layers without LIF and 2i,  and  induced  for  mesodermal  differentiation  (Fig.  1A).  The BVSC ESCs formed the mesodermal colonies on day  3 after seeding and did not show upregulation of the SC  reporter  up  to  day  6  in  the  OP9  differentiation  system  (Fig. 1C, upper panel).

Induction of BV+SC+ Cells by the MEK Inhibi‐ tor Using  this  mesodermal  differentiation  system,  we  screened  the  small  molecule  compounds  that  inhibit  mesodermal  differentiation  and  induce  PGC‐like  cell  fate in BVSC ESCs. The compounds included LY 294002  (PI3K  inhibitor),  PS48  (PDK1  activator),  PD0325901  (MEK  inhibitor),  BI‐D1870  (S6K  inhibitor),  SP600125  (JNK  inhibitor),  SB203580  (p38  inhibitor),  SB431542  (TGF /Activin inhibitor, ALK4/5/7 inhibitor), LDN193189  (BMP  inhibitor,  ALK2/3  inhibitor),  CHIR99021  (GSK3  inhibitor),  and  Kempaullone  (inhibitor  of  various  kinas‐ es).  Among  these  molecules,  the  MEK  inhibitor  alone  induced  BV‐highly  positive  and  SC‐positive  (BV+SC+)  cells  (Fig.  1C,  D).  The  BV+SC+  cells  emerged  on  day  1  after  induction  and  the  intensity  of  SC  progressively  increased  until  day  3.  The  percentage  of  the  BV+SC+  cells  peaked  on  day  3,  and  the  number  of  the  BV+SC+  cells peaked on days 3–6.  On the  other hand,  preculture of  the ESCs  without  2i before differentiation induction was essential for the  induction  of  the  BV+SC+  cells  (Figs.  1A,  2A).  Gene  ex‐ pression analysis of the ESCs cultured with or without 2i  showed that the markers of inner cell  mass (ICM) cells  decreased and those of epiblast increased after removal  of  2i  (Fig.  2B),  suggesting  that  the  transition  from  ground  states  to  epiblast‐like  states  occurred  in  the  absence of 2i. This result is in accordance with a recent  www.StemCells.com 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition  study  showing  that  differentiation  from  ESCs  to  epiblast‐like cells (EpiLCs) is critical for induction of PGC‐ like cells in vitro [11]. In  the  above experiments,  the  BVSC ESCs were  cul‐ tured in the media supplemented with FCS and LIF (Fig.  1,  Condition  4  in  Supplementary  Fig.S1).  To  examine  whether FCS has the priming effect on the induction of  the  BV+SC+ cells, the  ESCs  were cultured  with  the  me‐ dia supplemented with LIF and 2i, but without FCS, be‐ fore  the  induction  (Conditions  1‐3  in  Supplementary  Fig.S1).  In  this  experiment  again,  when  the  ESCs  were  cultured  with  2i  (Condition  1;  –FCS,  +LIF,  +2i),  the  BV+SC+  cells  could  not  be  induced  upon  OP9  cells  by  MEK  inhibitor  treatment.  In  contrast,  the  ESCs  precultured  without  2i  for  3  days  differentiated  to  the  BV+SC+ cells (Condition 2; –FCS, +LIF, –2i). Next, to ex‐ amine  the  priming  effect  of  LIF,  EpiLCs  were  induced  from the BVSC ESCs by treatment with Activin and bFGF  in the absence of LIF and 2i (Condition 3; –FCS, –LIF, –2i,  +Activin, +bFGF). The EpiLCs also generated the BV+SC+  cells upon OP9 cells in response to MEK inhibitor. Thus,  priming  with  FCS  and  LIF  is  not  essential  for  the  MEK  inhibitor‐induction of BV+SC+ cells.

Expression of Germ Cell and Mesodermal  Marker Genes After  the  expression  of  Prdm1,  Prdm14  and  Tcfap2c  commence, the downstream PGC‐specific genes such as  Dppa3,  Dnd1,  and  Nanos3  are  upregulated  in  nascent  and  migrating  PGCs  [2‐6].  In  contrast,  mesodermal  genes  are  upregulated  transiently  but  downregulated  rapidly by the actions of Prdm1, Prdm14, and Tcfap2c in  nascent PGCs.  Subsequently,  gonadal  germ  cell  marker  genes  including Ddx4  (Mvh),  Dazl,  and  Piwil2  (Mili)  are  induced in germ cells after arriving at the gonads (Sup‐ plemental Fig. S2A).  We collected the BV+SC+ cells and the BV–SC– cells  from MEK inhibitor‐treated cultures on days 0, 4, and 6  and  compared  the  expression  of  germ  cell  marker  genes.  As  shown  in  Figure  3A,  expression  levels  of  all  the  PGC  marker  genes  increased  after  differentiation  induction in the BV+SC+ cells, whereas these genes ex‐ cept  Nanos3  were  downregulated  in  the  BV–SC–  cells.  In addition, the expression of gonadal germ cell markers  such  as  Ddx4  and  Dazl,  but  not  Mili,  also  increased  in  the  BV+SC+  cells  (Fig.  3B).  About  14%  of  the  BV+SC+  cells  were  positive  for  Ddx4  protein  (Supplementary  Fig.S2B),  indicating  that  a  fraction  of  the  BV+SC+  cells  acquired the characteristics of gonadal germ cells. Mes‐ odermal  genes  such  as  Hoxa1,  Hoxb1,  and  Snail1 were  efficiently  upregulated  when  the  BVSC  ESCs  were  cul‐ tured  without  the  MEK  inhibitor  (Fig.  3C).  However,  induction of these genes was suppressed in the BV+SC+  cells  induced  by  the  MEK  inhibitor.  These  results  showed  that  mesodermal  differentiation  was  inhibited  but  germline  differentiation  was  promoted  in  the  MEK  inhibitor‐induced BV+SC+ cells. We  also  examined  expression  of  the  marker  genes  for pluripotent (Oct4, Nanog), ectodermal (Ascl1, Sox1)  ©AlphaMed Press 2014 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

5  and  endodermal  cells  (GATA4,  GATA6)  (Supplementary  Fig.S3).  The  BV+SC+  cells  expressed  Oct4  and  Nanog  genes  strongly  but  ectodermal  and  endodermal  genes  weakly,  further  showing  the  PGC‐like  gene  expression  pattern.  Meanwhile,  expressions of  Oct4  and Nanog  in  BV–SC–cells  were  comparable  to  those  of  ESCs.  Alt‐ hough  expressions  of  Ascl1,  Sox1and  GATA4  were  at  low  levels,  GATA6  we  moderately  induced  in  BV–SC–  cells. These results suggest that BV–SC– cells may con‐ tain immature and endodermal cells.

Formation of Pluripotent Stem Cell Colonies  from BV+SC+ Cells by RA Treatment To examine whether the BV+CV+ cells could form EGC‐ like colonies in response to RA, we cultured the BV+SC+  cells with the ESC culture medium containing LIF alone  or with the EGC medium supplemented with RA, bFGF,  and  LIF.  Reportedly,  ESCs  and  PGCs  show  completely  opposite  responsiveness  to  RA  [27].  Namely,  RA  treat‐ ment  induces  differentiation  of  ESCs  but  enhances  de‐ differentiation  of  PGCs  into  pluripotent  stem  cells  (EGCs) when cultured in the presence of bFGF, SCF, and  LIF.  As  expected,  the  BVSC  ESCs  formed  alkaline‐ phosphatase (ALP)‐positive, undifferentiated colonies in  the  ESC  medium.  However,  the  cells  differentiated  completely  when  seeded  onto  SCF‐expressing  feeder  cells and  cultured with the EGC medium containing RA  (Fig. 4A, B). In contrast, the BV+SC+ cells as well as the  PGCs isolated from E11.5 embryos formed ALP‐positive  EGC‐like colonies under the EGC culture condition (Fig.  4C, D). The efficiency of EGC‐like colony formation was  approximately  half that  of  the PGCs  on  E11.5  (Fig. 4E).  Neither the BV+SC+ cells nor the E11.5 PGCs proliferat‐ ed to from the EGC colonies in the ESC medium. Thus,  the BV+SC+ cells had PGC‐like responsiveness to RA.

Epigenetic Status and Ability to Contribute to  Spermatogenesis PGCs  undergo  extensive  epigenetic  reprogramming,  namely  global  DNA  demethylation  and  acquisition  of  signature‐characteristic  histone  modifications  [1].  Ex‐ pression of de novo DNA methyltransferases Dnmt3a/b  is downregulated in PGCs [7]. In addition, expression of  Uhrf1,  which  recruits  Dnmt1  to  hemi‐methylated  DNA,  also  decreases  in  PGCs.  Because  Dnmt1  is  required  for  the  maintenance  of  methylation  in  newly  synthesized  DNA  strand  after  replication,  downregulation  of  Uhrf1  causes  global  DNA  hypomethylation  during  PGC  differ‐ entiation.  Similar  to  PGCs  in  vivo,  expression  of  Uhrf1  and  Dnmt3b  was  downregulated  but  the  expression  of  Dnmt1  was  not  altered  in  the  BV+SC+  cells  (Fig.  5A).  Furthermore,  global  methylated  cytosine  levels  were  lower  in  the  BV+SC+  cells  than  the  ESCs  (Fig.  5B),  indi‐ cating  that  global  DNA  demethylation  occurred  in  the  BV+SC+  cells.  In  addition,  consistent  with  gene  expres‐ sion  pattern,  promoter  methylation  levels  of  germ  line  genes  (Prdm14,  Stella  and  Ddx4)  were  lower  in  in  the  www.StemCells.com 

BV+SC+ cells than in the ESCs (Fig. 5C). Methylation lev‐ el of Nanog gene in the BV+SC+ cells was comparable to  the  ESCs.  Levels  of  H3K27me3  increase  and  levels  of  H3K9me2  decrease  during  PGC  differentiation  [9].  However,  significant  increase  of  H3K27me3  and  de‐ crease  of  H3K9m32  was  not  detected  in  the  BV+SC+  cells (data not shown).  The  recent  study  has  demonstrated  that  the  PGC‐ like  cells  could  be  induced  from  BVSC  ESCs  through  EpiLCs  under  chemically  defined,  serum‐free  culture  condition  [11].  The  PGC‐like  cells  induced  under  this  culture  condition  successfully  generated  functional  spermatozoa  when  transplanted  into  seminiferous  tu‐ bules  of  newborn  W/WV  mutant  mice.  The  develop‐ mental  potential  of  the  MEK‐inhibitor‐induced  BV+SC+  cells was examined in transplantation assay (Fig. 6, Ta‐ ble  1).  Although  spermatogenesis  colonies  were  ob‐ served  in  the  testes  grafted  with  the  PGC‐like  cells  in‐ duced  by  the  previously  described  method,  the  MEK‐ inhibitor‐induced  BV+SC+  cells  did  not  generate  sper‐ matogenesis  colonies.  Instead,  teratomas  with  large  cysts  formed  in  one  of  two  transplantation  experi‐ ments. Thus, although the BV+SC+ cells induced in this  differentiation  system  acquired  several  characteristics  of  PGCs,  specification  to  germ  lineage  appeared  to  be  incomplete.

DISCUSSION In this study, we demonstrated that ERK signaling inhi‐ bition  by  a  MEK  inhibitor  suppressed  mesodermal  dif‐ ferentiation  but  promoted  germ  cell  differentiation  in  the  OP9  mesodermal  differentiation  system.  The  BV+SC+  cells  induced  in  this  study  exhibited  PGC‐like  gene  expression,  dedifferentiation  to  the  EGC‐like  cells  in response to RA, and DNA hypomethylation. However,  the  cells  could  not  acquire  the  signature‐characteristic  histone  modification  of  PGCs  and  germline  differentia‐ tion potential in vivo.  The OP9 feeder cells have been widely used to sup‐ port differentiation of mesodermal cell lineages such as  various  hematopoietic  cells,  endothelial  cells,  and  cardiomyocytes [19‐24]. In a previous study, we showed  that PGC‐like cells could be induced from ESCs upon Akt  signaling activation in OP9 differentiation cultures [34].  However,  similar  to  the  BV+SC+  cells  in  this  study,  the  germline  commitment  was  incomplete  in  these  cells.  Thus,  these  results  indicate  that  the  factors  for  com‐ plete  germline commitment  are  lacking  in  the OP9  dif‐ ferentiation  system,  although  OP9  cells  provide  germline differentiation cues to some extent.  Reportedly,  the  two  signaling  pathways,  BMPs  and  Wnt3,  play  pivotal  roles  in  PGC  specification  [10‐14].  However, these signals promote differentiation of both  germline  and  mesodermal  lineages  [14‐17].  From  this  viewpoint,  our  finding  highlights  a  unique  role  of  ERK  signaling:  ERK  signaling  activation  promotes  mesoder‐ mal  differentiation  whereas  inhibition  promotes  PGC  differentiation.  At  present,  it  is  difficult  to  exclude  the  ©AlphaMed Press 2014 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

6  possibility  that  the  effect  of  ERK  signaling  inhibition  is  indirectly  mediated  by  non‐germ  cells  surrounding  the  differentiating germ cells. However, we favor the model  that ERK signaling inhibition directly promotes germ cell  differentiation as discussed below.  Accumulating  evidence  shows  that  the  FGF–ERK  signaling  axis  promotes  mesodermal  differentiation.  Studies in mice and Xenopus show that FGF signaling is  required  for  mesoderm  cell  fate  specification  [35,  36].  In  Xenopus  mesoderm  formation,  SRF  and  Elk‐1,  tran‐ scription  factors  activated  by  ERK  downstream  of  FGF,  are required for mesodermal gene induction [37]. SRF is  also  essential  for  mesoderm  formation  during  mouse  embryogenesis  [38].  In  addition  to  the  evidence  ob‐ tained  from  mice  and  Xenopus,  the  FGF–ERK  signaling  axis has been shown to promote mesodermal differen‐ tiation  from  mouse  and  human  ESCs  in  vitro  [39‐41].  Taken  together  with  our  findings,  ERK  signaling  down‐ stream of FGF is critical for mesodermal specification in  vivo and in vitro.  In  contrast,  our  results  show  that  ERK  signaling  in‐ hibition  not  only  antagonizes  mesodermal  differentia‐ tion  but  also  promotes  PGC  cell  fate  under  an  in  vitro  mesodermal  differentiation  condition.  Comprehensive  gene expression analysis during PGC specification shows  that  the  negative  regulators  of  ERK  signaling,  such  as  Dusp6,  Spry1,  Spry2,  and  Spred1,  are  upregulated  spe‐ cifically in PGC precursors and nascent PGCs [7]. In addi‐ tion, induction of these genes was severely impaired in  the  PGC‐like  cells  of  Prdm1‐deficient  embryos  [2,  7],  indicating  that  the  genes  were  under  Prdm1  control.  Since  mesodermal  genes  were  not  downregulated  properly in the PGC‐like cells of Prdm1‐deficient embry‐ os, these negative regulators of ERK signaling may have  a  role  in  the  suppression  of  mesodermal  programming  during PGC specification in vivo.

CONCLUSION Our results show that ERK signaling plays a critical role  in suppressing mesoderm differentiation in PGC specifi‐ cation  under  the  influence  of  mesodermal  signals  dur‐

REFERENCES 1  Saitou  M,  Kagiwada  S,  Kurimoto  K.  Epige‐ netic  reprogramming  in  mouse  pre‐ implantation  development  and  primordial  germ cells. Development 2012; 139:15‐31. 2 Magnusdottir E, Dietmann S, Murakami K  et al. A tripartite transcription factor network  regulates primordial germ cell specification in  mice. Nat Cell Biol 2013; 15:905‐915. 3  Nakaki  F,  Hayashi  K,  Ohta  H  et  al.  Induc‐ tion  of  mouse  germ‐cell  fate  by  transcription  factors in vitro. Nature 2013; 501:222‐226. 4  Ohinata  Y,  Payer  B,  O'Carroll  D  et  al.  Blimp1  is  a  critical  determinant  of  the  germ  cell  lineage  in  mice.  Nature  2005;  436:207‐ 213.

www.StemCells.com 

ing  gastrulation.  Roles  of  the  FGF–ERK  signaling  axis  in  mouse  PGC  specification  remain  unknown.  Further  studies on whether inhibition of the FGF–ERK signaling  axis  and  the  negative  regulators  of  EKR  signaling  are  involved  in  suppressing  the  mesodermal  program  dur‐ ing PGC specification in vivo are needed.

ACKNOWLEDGMENT We thank Ms. N. Asada for technical assistance and Ms.  M. Imaizumi for secretarial assistance.

DISCLOSURE OF POTENTIAL CONFLICTS OF INTEREST The authors indicate no potential conflicts of interest.

AUTHOR CONTRIBUTIONS T.K.: Conception and design, Collection and assembly of  data, Data analysis and interpretation, Manuscript writ‐ ing,  Final  approval  of  manuscript.;  Y.K.:  Collection  and  assembly  of  data,  Data  analysis  and  interpretation.;  H.O.:  Performed  transplantation  experiments,  Data  analysis  and  interpretation.;  M.O.:  Collection  and  as‐ sembly  of  data,  Data  analysis  and  interpretation.;  Y.S.:  Data  analysis  and  interpretation.;  K.L.:  Collection  and  assembly  of  data,  Data  analysis  and  interpretation.;  N.Y.: Collection and assembly of data, Data analysis and  interpretation.;  K.F.:  Collection  and  assembly  of  data,  Data analysis and interpretation.; A.I.: Performed trans‐ plantation  experiments,  Data  analysis  and  interpreta‐ tion.; N.S.: Collection and assembly of data, Data analy‐ sis.; M.T.: Collection and assembly of data, Data analy‐ sis.; K.H.: Provision of study materials, Data analysis and  interpretation.; M.O.: Performed transplantation exper‐ iments,  Data  analysis  and  interpretation.;  T.S.:  Per‐ formed  transplantation  experiments,  Data  analysis  and  interpretation.; M.S.: Provision of study materials, Data  analysis  and  interpretation.;  T.N.:  Conception  and  de‐ sign, Data analysis and interpretation, Financial support,  Manuscript writing, Final approval of manuscript.

5  Vincent  SD,  Dunn  NR,  Sciammas  R  et  al.  The  zinc  finger  transcriptional  repressor  Blimp1/Prdm1  is  dispensable  for  early  axis  formation  but  is  required  for  specification  of  primordial germ cells in the mouse. Develop‐ ment 2005; 132:1315‐1325. 6 Yamaji M, Seki Y, Kurimoto K et al. Critical  function  of  Prdm14  for  the  establishment  of  the  germ  cell  lineage  in  mice.  Nat  Genet  2008; 40:1016‐1022. 7  Kurimoto  K,  Yabuta  Y,  Ohinata  Y  et  al.  Complex  genome‐wide  transcription  dynam‐ ics  orchestrated  by  Blimp1  for  the  specifica‐ tion  of  the  germ  cell  lineage  in  mice.  Genes  Dev 2008; 22:1617‐1635. 8  Yabuta  Y,  Kurimoto  K,  Ohinata  Y  et  al.  Gene  expression  dynamics  during  germline  specification  in  mice  identified  by  quantita‐

tive  single‐cell  gene  expression  profiling.  Biol  Reprod 2006; 75:705‐716. 9  Seki  Y,  Yamaji  M,  Yabuta  Y  et  al.  Cellular  dynamics  associated  with  the  genome‐wide  epigenetic  reprogramming  in  migrating  pri‐ mordial  germ  cells  in  mice.  Development  2007; 134:2627‐2638. 10  Lawson  KA,  Dunn  NR,  Roelen  BA  et  al.  Bmp4  is  required  for  the  generation  of  pri‐ mordial  germ  cells  in  the  mouse  embryo.  Genes Dev 1999; 13:424‐436. 11 Hayashi K, Ohta H, Kurimoto K et al. Re‐ constitution of the mouse germ cell specifica‐ tion  pathway  in  culture  by  pluripotent  stem  cells. Cell 2011; 146:519‐532. 12  Ohinata  Y,  Ohta  H,  Shigeta  M  et  al.  A  signaling principle for the specification of the  germ cell lineage in mice. Cell 2009; 137:571‐ 584.

©AlphaMed Press 2014 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

7  13  Ying  Y,  Qi  X,  Zhao  GQ.  Induction  of  pri‐ mordial  germ  cells  from  murine  epiblasts  by  synergistic action of BMP4 and BMP8B signal‐ ing pathways. Proc Natl Acad Sci U S A 2001;  98:7858‐7862. 14  Ying  Y,  Zhao  GQ.  Cooperation  of  endo‐ derm‐derived  BMP2  and  extraembryonic  ectoderm‐derived  BMP4  in  primordial  germ  cell  generation  in  the  mouse.  Dev  Biol  2001;  232:484‐492. 15  Liu  P,  Wakamiya  M,  Shea  MJ  et  al.  Re‐ quirement  for  Wnt3  in  vertebrate  axis  for‐ mation. Nat Genet 1999; 22:361‐365. 16 Winnier G, Blessing M, Labosky PA et al.  Bone morphogenetic protein‐4 is required for  mesoderm  formation  and  patterning  in  the  mouse. Genes Dev 1995; 9:2105‐2116. 17 Ying Y, Liu XM, Marble A et al. Require‐ ment of Bmp8b for the generation of primor‐ dial  germ  cells  in  the  mouse.  Mol  Endocrinol  2000; 14:1053‐1063. 18 Plotnikov A, Zehorai E, Procaccia S et al.  The  MAPK  cascades:  signaling  components,  nuclear  roles  and  mechanisms  of  nuclear  translocation.  Biochim  Biophys  Acta  2011;  1813:1619‐1633. 19  Kyba  M,  Perlingeiro  RC,  Daley  GQ.  HoxB4  confers  definitive  lymphoid‐myeloid  engraftment potential on embryonic stem cell  and  yolk  sac  hematopoietic  progenitors.  Cell  2002; 109:29‐37. 20  Nakano  T,  Kodama  H,  Honjo  T.  Genera‐ tion  of  lymphohematopoietic  cells  from  em‐ bryonic  stem  cells  in  culture.  Science  1994;  265:1098‐1101. 21  Nakano  T,  Kodama  H,  Honjo  T.  In  vitro  development  of  primitive  and  definitive  erythrocytes  from  different  precursors.  Sci‐ ence 1996; 272:722‐724. 22  Oike  Y,  Takakura  N,  Hata  A  et  al.  Mice  homozygous  for  a  truncated  form  of  CREB‐ binding protein exhibit defects in hematopoi‐ esis  and  vasculo‐angiogenesis.  Blood  1999;  93:2771‐2779. 23  Schroeder  T,  Fraser  ST,  Ogawa  M  et  al.  Recombination  signal  sequence‐binding  pro‐

tein  Jkappa  alters  mesodermal  cell  fate  deci‐ sions  by  suppressing  cardiomyogenesis.  Proc  Natl Acad Sci U S A 2003; 100:4018‐4023. 24  Yanagi  K,  Takano  M,  Narazaki  G  et  al.  Hyperpolarization‐activated cyclic nucleotide‐ gated  channels  and  T‐type  calcium  channels  confer  automaticity  of  embryonic  stem  cell‐ derived  cardiomyocytes.  Stem  Cells  2007;  25:2712‐2719. 25 Matsui Y, Zsebo K, Hogan BL. Derivation  of  pluripotential  embryonic  stem  cells  from  murine  primordial  germ  cells  in  culture.  Cell  1992; 70:841‐847. 26 Kimura  T, Tomooka  M, Yamano  N et al.  AKT  signaling  promotes  derivation  of  embry‐ onic  germ  cells  from  primordial  germ  cells.  Development 2008; 135:869‐879. 27 Koshimizu U, Taga T, Watanabe M et al.  Functional  requirement  of  gp130‐mediated  signaling  for  growth  and  survival  of  mouse  primordial  germ  cells  in  vitro  and  derivation  of  embryonic  germ  (EG)  cells.  Development  1996; 122:1235‐1242. 28  Imamura  M,  Miura  K,  Iwabuchi  K  et  al.  Transcriptional  repression  and  DNA  hypermethylation  of  a  small  set  of  ES  cell  marker  genes  in  male  germline  stem  cells.  BMC Dev Biol 2006; 6:34. 29 Maatouk DM, Kellam LD, Mann MR et al.  DNA methylation is a primary mechanism for  silencing  postmigratory  primordial  germ  cell  genes in both germ cell and somatic cell line‐ ages. Development 2006; 133:3411‐3418. 30 Chuma S, Kanatsu‐Shinohara M, Inoue K  et  al.  Spermatogenesis  from  epiblast  and  primordial  germ  cells  following  transplanta‐ tion  into  postnatal  mouse  testis.  Develop‐ ment 2005; 132:117‐122. 31  Ohinata  Y,  Sano  M,  Shigeta  M  et  al.  A  comprehensive,  non‐invasive  visualization  of  primordial germ cell  development  in mice by  the  Prdm1‐mVenus  and  Dppa3‐ECFP  double  transgenic  reporter.  Reproduction  2008;  136:503‐514. 32  Saitou  M,  Barton  SC,  Surani  MA.  A  mo‐ lecular  programme  for  the  specification  of 

germ cell fate in mice. Nature 2002; 418:293‐ 300. 33  Sato  M,  Kimura  T,  Kurokawa  K  et  al.  Identification of PGC7, a new gene expressed  specifically  in  preimplantation  embryos  and  germ cells. Mech Dev 2002; 113:91‐94. 34  Yamano  N,  Kimura  T,  Watanabe‐ Kushima  S  et  al.  Metastable  primordial  germ  cell‐like state induced from mouse embryonic  stem cells by Akt activation. Biochem Biophys  Res Commun 2010; 392:311‐316. 35  Ciruna  B,  Rossant  J.  FGF  signaling  regu‐ lates  mesoderm  cell  fate  specification  and  morphogenetic  movement  at  the  primitive  streak. Dev Cell 2001; 1:37‐49. 36  Kimelman  D,  Kirschner  M.  Synergistic  induction of mesoderm by  FGF and  TGF‐beta  and the identification of an mRNA coding for  FGF  in  the  early  Xenopus  embryo.  Cell  1987;  51:869‐877. 37 Nentwich O, Dingwell KS, Nordheim A et  al.  Downstream  of  FGF  during  mesoderm  formation  in  Xenopus:  the  roles  of  Elk‐1  and  Egr‐1. Dev Biol 2009; 336:313‐326. 38  Arsenian  S,  Weinhold  B,  Oelgeschlager  M et al. Serum response factor is essential for  mesoderm  formation  during  mouse  embryo‐ genesis. EMBO J 1998; 17:6289‐6299. 39  Bernardo  AS,  Faial  T,  Gardner  L  et  al.  BRACHYURY and CDX2 mediate BMP‐induced  differentiation  of  human  and  mouse  pluripo‐ tent  stem  cells  into  embryonic  and  extraembryonic lineages. Cell Stem Cell 2011;  9:144‐155. 40  Kraushaar  DC,  Rai  S,  Condac  E  et  al.  Heparan  sulfate  facilitates  FGF  and  BMP  signaling to drive mesoderm differentiation of  mouse  embryonic  stem  cells.  J  Biol  Chem  2012; 287:22691‐22700. 41  Yu  P,  Pan  G,  Yu  J  et  al.  FGF2  sustains  NANOG  and  switches  the  outcome  of  BMP4‐ induced human embryonic stem cell differen‐ tiation. Cell Stem Cell 2011; 8:326‐334.

See www.StemCells.com for supporting information available online. STEM  CELLS ; 00:000–000

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 



Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 1. Induction of the BV+SC+ cells from ESCs by the MEK inhibitor. (A) Scheme of differentiation induction. The BVSC ESCs were maintained in the medium containing FCS, LIF, and 2i.  Before induction, the cells were precultured without 2i for 3 days. The cells were then seeded onto OP9 feeder cells  and induced for differentiation with or without the MEK inhibitor in the absence of LIF. (B) The BVSC ESCs cultured with or without 2i formed dome‐shaped or monolayered colonies, respectively. The ESCs  cultured under both conditions expressed BV weakly but not SC. (C) Flow cytometric analysis of the BV+SC+ cells. Expression levels of BV and SC reporters were examined from day 0  to day 6 after differentiation induction. The BV+SC+ cells were detected in the culture with MEKi, but not in the cul‐ ture without the MEK inhibitor. (D) Representative pictures of the BV+SC+ cells induced by the MEK inhibitor. Scale bar, 100 μm. (E) Percentages of the BV+SC+ cells after differentiation induction (n = 4, mean ± SD).   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 



Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 2. Effects of preculture without 2i. (A) Induction of the BV+SC+ cells. The BVSC ESCs cultured with or without 2i before induction for 3 days were seeded  onto OP9 cells. The expression of BV and SC reporters was examined on day 0 and day 3 after differentiation induc‐ tion. (B)  Expression  of  inner  cell  mass  (ICM)  marker  genes  (Klf4,  Prdm14,  Tbx3,  and  Tcl1)  and  epiblast  marker  genes  (Dnmt3b, Fgf5 and Otx2) in the BVSC ESCs cultured with or without 2i. The gene mRNA levels were quantified by qRT‐ PCR analysis. Representative results of two independent experiments are shown (mean ± SD).   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

10

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 3. Expression of germ cell and mesoderm marker genes in the BV+SC+ cells. The mRNA levels of the PGC marker genes (A; Prdm1, Prdm14, Dppa3, Dnd1, Nanos3, and Tcfap2c), gonocyte marker  genes  (B; Ddx4,  Dazl,  and  Piwil2)  and  mesodermal  marker  genes (C;  Hoxa1,  Hoxb1,  and Snail1)  were quantified  by  qRT‐PCR analysis. The BV+SC+ cells and the BV–SC– cells were collected on day 4 and day 6 after differentiation in‐ duction. The ESCs cultured without 2i for 3 days were used as the control on day 0. The cells induced without MEKi  were also used as a positive control for mesodermal differentiation in (C). The average of two independent experi‐ ments are shown with SDs.   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

11

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 4. Responsiveness of the BV+SC+ cells to RA. (A, B) The ESCs cultured in the ESC or the EGC medium. The BVSC ESCs cultured in the ESC medium containing LIF  alone  formed  ALP‐positive,  undifferentiated  colonies  (A).  However,  when  seeded  onto  SCF‐expressing  feeder  cells  and  cultured  with the EGC medium containing RA,  bFGF, and LIF, the  ESCs differentiated and formed ALP‐negative  colonies (B). Scale bar, 100 μm. (C) ALP‐positive, EGC colonies generated from the PGCs on E11.5. When cultured in the EGC medium containing RA,  the PGCs gave rise to ALP‐positive EGC colonies. (D) ALP‐positive  EGC‐like  cell colonies  generated  from  the  BV+SC+ cells.  Similar to  the  PGCs on  E11.5,  ALP‐positive  colonies were formed from the BV+SC+ cells when cultured with the EGC medium containing RA. Neither the PGCs on  E11.5 nor the BV+SC+ cells proliferated in the ESC media. (E) The efficiency of forming the EGC‐like cell colonies from the BV+SC+ cells. The PGCs on E11.5 and the BV+SC+ cells  were cultured under an EGC culture condition for 5 days. The EGC or EGC‐like cell colonies visualized by ALP staining  were counted. The percentage of the number of EGC or EGC‐like cell colonies per number of seeded cells is shown (n  = 3, mean ± SD).   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

12

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 5. DNA methylation status of the BV+SC+ cells. (A)  Expression  of  Uhrf1,  Dnmt3b,  and  Dnmt1  genes  in  the  BVSC  ESCs,  the  BV+SC+  cells,  and  the  BV–SC–  cells.  The  gene mRNA levels were quantified by qRT‐PCR analysis. Representative results of two independent experiments are  shown (mean ± SD). (B)  Immunostaining  with  anti‐5mC  antibody.  The  gonad  cells  on  E13.5,  the  BVSC  ESCs,  and  the  BV+SC+  cells  were  cytospun  and  stained  with  the  anti‐5meC  antibody.  The  gonocytes  were  outlined  in  the  gonad  sample.  The  nuclei  were counterstained with DAPI. Scale bar, 10 μm. (C)  Promoter  methylation  of  germ  line  genes  (Prdm14,  Stella  and  Ddx4)  and  pluripotency  gene  (Nanog),  as  deter‐ mined by bisulfite sequencing analysis.   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

13

www.StemCells.com 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

©AlphaMed Press 2014 

14

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

Figure 6. Transplantation assay. (A) Testes grafted with the PGC‐like cells. Left and middle pictures show the testes grafted with the BV+ PGC‐like cells  induced under chemically defined, serum‐free culture condition (Hayashi’s method). The testes contained spermato‐ genesis  colonies  as  shown  in  (B).  The  testis  grafted  with  the  MEK‐inhibitor  induced  BV+SC+  cells  (right  picture)  showed teratomas with large cyst (white arrowhead). Bar; 2 mm. (B)  Spermatogenesis  colonies.  Black  arrows  show  spermatogenesis  colonies  generated  from  the  PGC‐like  cells  in‐ duced under chemically defined, serum‐free culture condition (Hayashi’s method). Bars; 0.5 mm. (C) Testicular sperm (arrows) and round spermatids (arrow heads) isolated from the tubules containing spermatogen‐ esis colonies. Bars; 50 μm. (D) Tissues of the three germ layers generated in teratomas. Keratinized epithelium (arrow, ectoderm), muscle (mes‐ oderm), and mucosal glands (arrow, endoderm) are shown at the left, middle, and right panels, respectively. Bars; 50  μm.   

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

15

www.StemCells.com 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

©AlphaMed Press 2014 

Induction of PGC‐like cells by ERK inhibition 

16

Table 1 Differentiation ability of the PGC‐like cells in transplantation assay 



No. of tes‐ tes with  teratomas  0 

No. of testes  with spermato‐ genesis  0 

No. of spermato‐ genesis colonies in  testis  0 







1, 2, 3 









1, 1, 2 



10 







Exp. No. 

Donor cells 

No. of re‐ cipients 

No. of testes  transplanted 



OP9‐MEKi method, day4 



Hayashi’s method, day4 



Hayashi’s method, day6  OP9‐MEKi method, day4 



The BV+SC+ PGC‐like cells were induced upon OP9 feeder cells in FCS‐containing medium with MEKi as described in  the text (OP9‐MEKi method  in Exp.  No.1 and No.2). The BV+ PGC‐like cells were also induced through epiblast‐like  cells  under  chemically defined, serum‐free condition, as  described previously (Hayashi’s method in  Exp. No.2) [11].  Ten thousand  PGC‐like  cells were transplanted into a testis of newborn W/Wv  mice. Two months (Exp. No.1) or 10  weeks (Exp. No.2) later, the testes were isolated (see Fig. 6A). The number of spermatogenesis colonies was counted  under  a  dissecting  microscope  (see  Fig.  6B).  The  same  BVSC  ES  cell  line  was  used  in  Exp.  No.1  and  No.2.  The  ESCs  maintained  under  serum‐containing  media  or  under  serum‐free  condition  were  used  in  the  Exp.  No.1  or  the  Exp.  No.2, respectively.  

www.StemCells.com 

©AlphaMed Press 2014 

Induction of primordial germ cell-like cells from mouse embryonic stem cells by ERK signal inhibition.

Primordial germ cells (PGCs) are embryonic germ cell precursors. Specification of PGCs occurs under the influence of mesodermal induction signaling du...
2MB Sizes 0 Downloads 5 Views