该方法提供了一种将光遗传学与基因编码的钙离子传感器相结合的技术,用于成像模式生物 C. elegans 体壁肌肉中胞质钙离子的基础水平以及刺激诱导的钙瞬变动态变化。
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该方法提供了一种将光遗传学与基因编码的钙离子传感器相结合的技术,用于成像模式生物 C. elegans 体壁肌肉中胞质钙离子的基础水平以及刺激诱导的钙瞬变动态变化。
模式生物 C. elegans 为进行活体钙成像提供了优良的实验体系。其透明的身体结构和可进行遗传操作的特性,使得基因编码的钙离子传感器能够在特定细胞中靶向表达。本实验方案概述了利用这些传感器对目标细胞(特别是线虫体壁肌细胞)中钙离子动态进行活体成像的方法。通过共表达突触前通道视紫红质,可使用蓝光脉冲刺激兴奋性运动神经元释放乙酰胆碱,从而引起肌肉去极化及胞质钙离子水平的可重复变化。本文讨论了两种不同难度的线虫固定技术。对这两种技术的比较表明,两种方法均能保持神经肌肉接头的生理状态,并可对钙瞬变信号进行可重复的定量分析。结合光遗传学与功能性钙成像技术,可在多种突变体背景下评估突触后钙处理与钙稳态的变化。所展示的数据验证了两种固定方法的有效性,并重点研究了 C. elegans 肌浆(内质)网钙离子ATP酶以及钙激活的BK钾离子通道在体壁肌钙调节中的作用。
本文介绍了利用光遗传学神经刺激对C. elegans体壁肌肉进行活体钙成像的方法。通过在肌肉中表达基因编码的钙指示剂(GECI),并结合蓝光诱导的神经元去极化,可建立一个能够清晰观察诱发性突触后钙瞬变的系统。该方法避免了电刺激的使用,从而实现了对影响突触后钙动力学的突变体进行非侵入性分析。
单荧光蛋白基因编码的钙离子指示剂(GECIs),例如 GCaMP,其结构包含一个荧光蛋白分子,在N端融合肌球蛋白轻链激酶的M13结构域,C端融合钙调蛋白(CaM)。当结合钙离子后,对钙具有高亲和力的CaM结构域发生构象变化,进而诱导荧光蛋白产生构象改变,导致荧光强度增强1。GCaMP的激发波长为488 nm,因此不适合与通道视紫红质(channelrhodopsin)联合使用,因为后者具有相近的激发波长(473 nm)。因此,为了将钙离子检测与通道视紫红质刺激相结合,需要将GCaMP中的绿色荧光蛋白替换为红色荧光蛋白mRuby,从而形成RCaMP。利用在肌肉中表达的RCaMP,结合胆碱能运动神经元中表达的通道视紫红质,可在同一只线虫中实现光遗传学操控与功能成像的同步应用,用于研究神经肌肉接头(NMJ)的功能2。
使用通道视紫红质可绕过对 C. elegans 神经肌肉接头进行去极化所需的电刺激,后者只能在离体标本中实现,因此该技术在针对特定组织时更易于操作且更为精确。例如,通道视紫红质此前已在 C. elegans 中用于可逆地激活特定神经元,从而引发兴奋性或抑制性神经元的显著激活3,4。使用光刺激诱导去极化还可避免因直接电刺激导致的神经元损伤问题。这为研究多种不同刺激方案(包括持续性和重复性刺激)对突触后钙动力学的影响提供了机会4。
C. elegans 的透明特性使其成为荧光成像功能分析的理想模型。然而,在刺激神经肌肉接头(NMJ)处的兴奋性乙酰胆碱神经元时,线虫通常会立即发生肌肉收缩4,因此在观察离散的钙信号变化时,固定线虫至关重要。传统上,常使用药理学试剂使动物麻痹。其中一种常用药物是左旋咪唑(levamisole),它是一种胆碱能乙酰胆碱受体激动剂5,6,7。由于左旋咪唑会导致兴奋性肌细胞受体亚型持续激活,因此该试剂不适用于肌肉钙动力学的研究。左旋咪唑的作用会引起突触后去极化,升高胞质钙离子浓度,从而掩盖突触前刺激后所引发的钙信号变化。为了避免使用麻痹类药物,我们考察了两种替代方法来固定 C. elegans。一种方法是将线虫粘附固定后进行解剖,暴露体壁肌,类似于现有的 C. elegans 神经肌肉接头电生理学方法8;另一种方法是使用纳米磁珠固定完整的线虫个体9。这两种方法均能实现对静息状态及刺激诱发的肌肉钙瞬变进行可重复且易于定量的测量。
本文所述方法可用于测量秀丽隐杆线虫(C. elegans)突触后体壁肌细胞中的基础胞质钙水平及钙瞬变。文中提供了采用两种不同固定技术所获得的数据示例。这两种技术均利用光遗传学手段使肌细胞去极化,而无需使用电刺激。这些示例证明了该方法在评估影响线虫突触后钙处理功能突变方面的可行性,并指出了两种固定方法各自的优缺点。
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1. 显微镜设置
2. C. elegans 样品制备与数据采集
3. 数据分析
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该技术用于评估影响钙处理或肌肉去极化的突变体中的变化。通过可视化基础荧光水平和荧光瞬变信号,对肌肉中静息状态下的胞质钙浓度及钙动力学进行分析。重要的是,动物需在全反式视黄醛中培养至少三天,以确保视黄醛成功整合,从而激活通道视紫红质(图2A)。若动物未暴露于全反式视黄醛,则不会触发肌肉钙瞬变(图2B)。尽管这些动物仍可用于评估基础胞质钙水平,但无法捕捉到钙的任何动态变化。此外,作为动物状态或解剖完整性的内部对照,动物在蓝光刺激后应出现肌肉收缩。当使用纳米磁珠进行固定时,应选择仅引起线虫身体轻微整体移动的肌肉收缩记录用于数据采集。若用于采集原始荧光值的肌肉发生强烈收缩,导致线虫全身明显移动,则瞬变曲线将反映出此类运动伪影(图2C),该数据应排除在定量分析之外。
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C. elegans 神经生物学研究中,基因编码的钙离子指示剂(GECIs)是一种强大的工具。以往的研究利用钙成像技术,通过多种刺激方法,广泛考察了神经元和肌细胞的多种功能,包括感觉和行为反应。一些研究采用化学刺激物来诱导感觉神经元ASH中的钙瞬变22,23,或在咽部肌肉中引发钙波24。另一些研究则在将线虫固定于微流控芯片中的同时施加机械刺激,以检测触觉感受神经元中的钙反应25。此外,还有研究使用电刺激来观察神经元26和体壁肌肉27中的钙变化。这些研究的共同点在于,均依赖外部刺激(如溶液或设备)来触发钙瞬变。本文所述方案则充分利用了光遗传学刺激所带来的控制优势,该方法具有神经元特异性,并在同一实验体系中结合了对肌肉表达的GECIs2进行功能分析。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Alexander Gottschalk 博士提供 ZX1659、含 RCaMP 和光敏通道蛋白的线虫品系,感谢 Hongkyun Kim 博士提供 slo-1(eg142) 线虫品系,以及感谢日本国家生物资源计划提供 sca-1(tm5339) 线虫品系。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 全-反式视黄醛 | Sigma-Aldrich | R2500 | 激活通道视紫红质所必需 |
| 琥珀色LED | RCaMP照明 | ||
| Arduino UNO | Mouser | 782-A000066 | 控制荧光照明 |
| 蓝色LED | 通道视紫红质照明 | ||
| BX51WI显微镜 | Olympus | 固定式复合显微镜 | |
| 电流控制低噪声线性电源 | Ametek | Sorenson | 控制LED强度 |
| Igor Pro | Wavemetrics | Wavemetrics.com | 绘图软件 |
| ImageJ | NIH | imagej.nih.gov | 图像处理软件 |
| LUMFLN 60x 水镜 NA 1.4 | Olympus | 用于离体样本的水浸物镜 | |
| Master-8刺激器 | A.M.P.I | 图像采集与LED照明的主控定时器 | |
| Micro-Manager | micro-manager.org | 控制相机采集与LED激发 | |
| Microsoft Excel | Microsoft | 电子表格软件 | |
| pco.edge 4.2 CMOS相机 | pco. | 4.2 | 高速相机 |
| PlanApo N 60x 油镜 NA 1.4 | Olympus | 用于纳米小球样本的油浸物镜 | |
| Polybead微球 | Polysciences, Inc. | 00876-15 | 用于线虫固定 |
| 固态开关 | Sensata Technologies | Crydom CMX100D6 | 控制LED照明时序 |
| 转基因品系,sca-1(tm5339);[zxIs6{Punc17::chop-2 (h134R)::yfp,lin-15(+)}; Pmyo3::RCaMP35] | Richmond实验室 | SY1627 | 表达兴奋性神经元通道视紫红质和体壁肌RCaMP、携带SERCA突变等位基因的线虫品系 |
| 转基因品系,slo-1 (eg142);[zxIs6{Punc17::chop-2 (h134R)::yfp,lin-15(+)}; Pmyo3::RCaMP35] | Richmond实验室 | 表达兴奋性神经元通道视紫红质和体壁肌RCaMP、携带钙激活BK钾通道突变等位基因的线虫品系 | |
| 转基因品系,[zxIs6{Punc17::chop-2 (h134R)::yfp,lin-15(+)}; Pmyo3::RCaMP35] | Gottschalk实验室 | ZX1659 | 表达兴奋性神经元通道视紫红质和体壁肌RCaMP的线虫品系 |
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