此处介绍一种通过基因编码将光反应性非天然氨基酸定点插入培养神经元中表达的靶向神经元蛋白,从而利用短时闪光选择性激活该神经元蛋白的方法。 体内 被展示。
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此处介绍一种通过基因编码将光反应性非天然氨基酸定点插入培养神经元中表达的靶向神经元蛋白,从而利用短时闪光选择性激活该神经元蛋白的方法。 体内 被展示。
光刺激是一种非侵入性调控生物事件的方法,具有优异的空间和时间分辨率。目前亟需开发新方法,以实现对在天然环境中表达的内源性蛋白质进行光调控。本文介绍了一种利用基因编码的非天然氨基酸(Uaa)在神经元中直接光学控制神经元蛋白功能的方法。通过使用正交的tRNA/氨酰-tRNA合成酶对抑制琥珀密码子,将光敏性非天然氨基酸4,5-二甲氧基-2-硝基苄基-半胱氨酸(Cmn)特异性地插入神经元蛋白Kir2.1(一种内向整流钾通道)的孔道区域。体积较大的Cmn可物理阻塞通道孔道,使Kir2.1处于非导通状态。光照可瞬间将Cmn转化为较小的天然氨基酸半胱氨酸(Cys),从而激活Kir2.1通道功能。我们表达了这些 p光诱导 i向内 r大鼠海马原代神经元中的光门控内向整流钾(PIRK)通道,并证明PIRK的光激活通过钾离子外流使神经元放电停止+ 通过激活的Kir2.1通道的电流。利用 在子宫内 电穿孔,我们还在小鼠胚胎新皮层中表达PIRK 体内,展示PIRK在新皮层神经元中的光激活。遗传编码非天然氨基酸(Uaa)对靶蛋白类型或细胞定位无限制,且已有多种光反应性Uaa可供用于调控不同的天然氨基酸残基。因此,该技术有望广泛应用于多种神经元蛋白,实现对大脑中不同过程的光学调控。本方案提供了一种在神经元中实现复杂Uaa插入的可行操作流程 体外 和 体内 在分子水平上实现对神经元蛋白质活性的光控调节。
与传统的电刺激相比,光刺激具有更高的时间与空间分辨率,且对样本的生理系统干扰最小。自1971年首次演示使用激光刺激神经元以来1,人们已开发出多种创新方法,通过光对外源性地控制神经元活动。光解笼锁激动剂的方法已被长期用于研究神经网络对配体的生理反应2,3,4。然而,由于笼锁激动剂的扩散,该技术的特异性有限。通过异位表达光敏感的视蛋白通道和泵可实现基因特异性调控5,6,7,该方法已成功应用于多种模式生物中特定神经网络的调控。然而,将此方法扩展至光学控制其他多种神经蛋白则较为困难,因为将视蛋白的光响应特性嫁接到其他蛋白上需要复杂的工程改造,可能改变目标蛋白的天然特性。将外源性光敏配体通过化学方式共价连接至蛋白,展示了另一种调控通道蛋白功能的方法8,9,10。该配体通过偶氮苯基团的光异构化作用被引入或移出蛋白的结合位点。然而,这种共价连接化学主要局限于膜蛋白的胞外侧,难以应用于胞内侧或胞内蛋白。
光响应性非天然氨基酸(Uaas)在被整合到蛋白质中后,为利用光调控蛋白质提供了一种通用策略。早期研究中,通过化学氨酰化将光笼保护的Uaas连接到tRNA上,随后将这些tRNA显微注射入 非洲爪蟾卵母细胞 将非天然氨基酸掺入膜受体和离子通道11,这些研究推动了对其结构与功能关系的理解12,13,14该显微注射方法主要局限于较大的卵母细胞。通过使用正交的tRNA/合成酶对,遗传编码非天然氨基酸(Uaa)可绕过技术上具有挑战性的tRNA酰化和显微注射步骤,利用细胞内源性蛋白质翻译系统在活细胞中实现Uaa的整合。15,16,17,18已证明非天然氨基酸(Uaa)可掺入原代神经元和神经干细胞中的神经元蛋白19,20最近,光响应性非天然氨基酸(Uaa)已被遗传编码整合到哺乳动物大脑的神经元蛋白中 体内 首次21这些进展使得在神经元蛋白的天然细胞环境中利用Uaas进行研究成为可能。
内向整流钾通道Kir2.1是一种强整流通道,可通透K⁺+ 电流更易流入细胞而非流出,其在调控多种生理过程(包括细胞兴奋性、血管张力、心率、肾盐转运和胰岛素释放)中具有重要作用22Kir2.1过表达使靶神经元的膜电位超极化,导致其兴奋性降低23,24为了在其天然细胞中光学控制Kir2.1,Kang 等 将光响应性非天然氨基酸遗传编码整合到哺乳动物细胞、神经元及小鼠胚胎脑中表达的Kir2.1蛋白中21短暂的光脉冲能够将非天然氨基酸(Uaa)转化为天然氨基酸半胱氨酸(Cys),从而激活目标蛋白Kir2.1。当这种光诱导型内向整流钾离子(PIRK)通道蛋白在大鼠海马原代神经元中表达时,可通过光激活抑制神经元放电。此外,PIRK通道还在小鼠胚胎新皮层中表达,并检测了皮层神经元中光激活的PIRK电流。非天然氨基酸(Uaa)技术的成功应用 在体内 在哺乳动物大脑中,该技术为在天然环境中光学操控神经元蛋白打开了大门,从而能够在分子水平上对神经元过程和机制进行光学解析。
本方案中,我们描述了将非天然氨基酸(Uaas)遗传编码整合到培养的原代神经元及小鼠胚胎脑中的实验步骤。 体内. 光响应性非天然氨基酸 Cmn 和 Kir2.1 用于演示该过程。文中提供了评估非天然氨基酸成功插入及光学调控神经元蛋白活性的方法。本方案为在神经元中进行遗传编码非天然氨基酸提供了清晰的指导 体内,以及通过光响应性非天然氨基酸(Uaa)光学调控神经元蛋白质功能。我们预期该方案将促进此类技术的广泛应用 体内 用于神经科学与光遗传学生物研究的Uaa技术。
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本研究中的所有操作均按照加州拉霍亚索尔克生物研究所动物护理和使用委员会(IACUC)批准的动物操作方案进行。
1. 在 Kir2.1 中引入非天然氨基酸及在原代神经元培养物中表达相应的 PIRK
2. Kir2.1 中非天然氨基酸的引入及在小鼠胚胎脑中表达相应的 PIRK 体内
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为了在神经元中的蛋白质内遗传编码非天然氨基酸(Uaa),首要的关键步骤是设计合适的基因构建体,以在神经元中高效地递送并表达基因。实现Uaa编码需要三个遗传组分:(1)在选定的Uaa插入位点引入TAG琥珀终止密码子的目标基因;(2)一种正交tRNA,用于识别突变后的TAG终止密码子;(3)一种正交氨酰-tRNA合成酶,用于将Uaa装载到正交tRNA上。每个组分都需要由适当的启动子驱动表达。这三个基因表达盒可构建于同一个质粒中,也可分别置于多个质粒中。为了在神经元中表达PIRK,使用经进化后特异性识别Cmn的正交tRNALeuCUA/CmnRS(Cmn-tRNA合成酶)配对,将光反应性Uaa Cmn插入Kir2.1蛋白中21,29。将Kir2.1基因的Cys169位点突变为TAG琥珀终止密码子(Kir2.1-TAG),并在Kir2.1的C末端融合荧光蛋白mCitrine,以便在神经元培养中可视化PIRK的表达(图1)。
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为了实现有效的光调控,关键的初始步骤是确定在目标蛋白中的哪个位置插入光响应性非天然氨基酸(Uaa)。目标蛋白的结构与功能信息对于指导候选位点的选择非常有帮助。同时,光调控的目的将决定哪一个位点最为合适。在选定候选位点后,我们建议先在哺乳动物细胞系(例如人胚胎肾(HEK)细胞)中对这些位点进行测试,因其培养和操作更为简便,之后再推进至原代神经元 体内为确定Kir2.1光激活位点,最初在HEK细胞中对Kir2.1孔道区域的多个位点进行了测试。结果显示,C169位点最为理想,因为Kir2.1在C169所处位置的孔道尺寸足以容纳Cmn侧链,又足够小以使Cmn侧链能够阻断离子通透。当在HEK细胞表达的Kir2.1中将Cmn引入C169位点时,所得突变型Kir2.1在无光照条件下无活性,但在短暂光照后被激活,证实了PIRK的成功构建。21.
高效表达正交tRNA和合成酶对于在细胞中获得高效的非天然氨基酸(Uaa)插入效率至关重要 体内正交合成酶基因可利用在哺乳动物细胞和神经元中常用的聚合酶II启动子和多聚腺苷酸化信号实现高效表达。对于正...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢 S. Szobota 博士在神经元培养和磷酸钙转染方面的有益讨论。L.W. 感谢索尔克创新基金、加州再生医学研究所(RN1-00577-1)和美国国立卫生研究院(1DP2OD004744)提供的支持。
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