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Los receptores de membrana desempeñan un papel crucial en los procesos fisiológicos de todo el cuerpo humano1. Una función principal es mediar la comunicación entre células a través de la transferencia de estímulos extracelulares para iniciar eventos de señalización intracelular. Debido a su papel fundamental en la señalización, casi el 70% de las terapias existentes se dirigen a los receptores de membrana2. A menudo son estructuras oligoméricas compuestas por múltiples subunidades ensambladas en formas heteroméricas con múltiples estequiometrías 3,4. Comprender cómo los receptores se organizan en complejos funcionales es fundamental para dilucidar su papel en la salud y la enfermedad 5,6. Los métodos bioquímicos tradicionales, como la inmunoprecipitación y el western blot, proporcionan mediciones de conjunto promediadas, que oscurecen la heterogeneidad en las subpoblaciones de receptores7. Por el contrario, las técnicas de una sola molécula permiten la observación directa de receptores individuales, lo que permite cuantificar la heterogeneidad dentro de las poblaciones de receptores 8,9,10. Las técnicas de molécula única se han convertido en el estándar para cuantificar el ensamblaje de receptores de membrana, la estequiometría y la oligomerización11,12. Este enfoque se ha aplicado ampliamente a muchos receptores de membrana fisiológicamente relevantes utilizando proteínas aisladas o condiciones de cultivo celular. Los estudios de una sola molécula se basan principalmente en sistemas de expresión in vitro, donde las proteínas se pueden aislar de un entorno celular. Sin embargo, la complejidad dentro de un sistema vivo no se refleja completamente en este tipo de sistemas de expresión heterólogos.
Para superar estas limitaciones, desarrollamos un enfoque que aísla e imagenifica los receptores de membrana en un estado fisiológicamente relevante capturándolos dentro de nanovesículas derivadas directamente de tejidos cardíacos y neuronales. Este método preserva eficazmente el estado de ensamblaje del receptor en el momento de la formación de la vesícula, lo que permite la visualización directa de la estequiometría de la subunidad del receptor, que es un indicador fundamental de la respuesta del receptor en diferentes entornos fisiológicos. Este enfoque nos permite examinar el ensamblaje estequiométrico de los receptores de membrana que ocurren con el entorno biológico complejo dentro de animales vivos sin requerir expresión o reconstitución heteróloga. Mediante el empleo de la Microscopía de Fluorescencia de Reflexión Interna Total (TIRFM), logramos imágenes de resolución de una sola molécula de receptores encapsulados en vesículas y extraemos trazas de fotoblanqueo para determinar la composición de las subunidades.
TIRFM es muy adecuado para la obtención de imágenes de proteínas de membrana de una sola molécula porque excita selectivamente los fluoróforos dentro de ~ 150 nm de la superficie del vidrio, reduciendo la fluorescencia de fondo de las moléculas en la solución 3,10. Este confinamiento mejora significativamente la relación señal-ruido, lo que permite una detección precisa de complejos de receptores de membrana individuales. Mediante el análisis del fotoblanqueo escalonado de receptores marcados con fluorescencia, podemos determinar directamente la estequiometría de subunidades y evaluar la heterogeneidad potencial dentro de las poblaciones de receptores12. Esto es particularmente relevante para el receptor 2 de Ryanodina 2 (RyR2), un gran canal de liberación intracelular de Ca²⁺ que desempeña un papel crucial en el acoplamiento excitación-contracción en el corazón, donde solo se ensambla como un homotetrámero, y en la función sináptica en el cerebro, donde no se ha establecido su ensamblaje 1,13,14. Dada la presencia de múltiples isoformas de RyR en los tejidos neuronales, no está claro si RyR2 forma complejos de tetrámeros puramente homoméricos en el cerebro, que constan de cuatro subunidades idénticas a las del corazón, o si los ensamblajes heterómeros con RyR1 o RyR3 ocurren in vivo 15,16,17,18.
Al aislar vesículas de regiones específicas del corazón y el cerebro, este método permite la investigación de posibles diferencias específicas de tejido en la organización de RyR2. Aprovechamos las propiedades de RyR2 en el tejido cardíaco donde solo puede formar homotetrámeros para proporcionar una base estadísticamente sólida para la estequiometría de subunidades de una sola molécula ex vivo, y el ensamblaje de tetrámeros conocido sirve como control para investigar ensamblajes desconocidos en otros órganos. La capacidad de obtener imágenes de los receptores en su estado nativo mientras se preservan sus interacciones fisiológicas proporciona un marco sólido para estudiar el ensamblaje de receptores en diferentes órganos y bajo diferentes condiciones fisiológicas. Este protocolo describe el flujo de trabajo para el aislamiento de vesículas, la inmovilización y la obtención de imágenes de una sola molécula de RyR2 marcado con GFP, lo que permite una caracterización precisa de la estequiometría del receptor. Esta técnica no solo avanza en nuestra comprensión de la organización de RyR2 en los tejidos cardíacos y neuronales, sino que también ofrece aplicaciones más amplias para estudiar el ensamblaje y la regulación de receptores en diversos contextos fisiológicos y patológicos 19,20,21.