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L’objectif de cette étude était de suivre précisément la distribution intracellulaire d’une protéine optogénétique et d’évaluer ses performances au sein d’un compartiment cytoplasmique particulier. Nous avons également montré les capacités de stimulation précises d’un système de balayage ponctuel sur des cellules exprimant une protéine optogénétique. Pour y parvenir, nous avons utilisé un bPAC-nLuc à cible nucléaire avec des niveaux d’expression élevés mais une distribution très confinée limitée au noyau. Les résultats ont montré que les points de stimulation séparés de seulement ~1 μm peuvent déclencher ou non la production d’AMPc, en fonction de la distribution cellulaire de la protéine optogénétique ; seules les stimulations dirigées vers le noyau ont permis d’augmenter les niveaux d’AMPc. Dans ce protocole, l’objectif n’était pas de générer des élévations localisées de l’AMPc, mais plutôt de montrer que de brèves stimulations lumineuses peuvent être suffisamment précises pour activer des protéines optogénétiques dans des zones très restreintes de la cellule sans stimuler les protéines environnantes. Cependant, cette approche constitue un contrôle nécessaire pour l’étude d’autres protéines optogénétiques à distributions diffuses et/ou la génération d’élévations localisées de l’AMPc. Cela peut être réalisé en faisant varier les niveaux d’expression de la protéine optogénétique, l’intensité et la fréquence de la stimulation, etc. Pour mesurer avec précision ces signaux localisés, il est crucial d’examiner attentivement les paramètres d’acquisition et les caractéristiques des capteurs. Cela inclut la sélection des positions et des tailles de retour sur investissement appropriées, la détermination de la fréquence d’acquisition et le choix de capteurs FRET/intensiométriques avec une affinité, une intensité, une plage dynamique et une constante de dissociation optimales.
Dans un article récemment publié, nous avons utilisé une stratégie similaire pour démontrer fonctionnellement la distribution d’un bPAC-nLuc à cible nucléaire et la capacité d’une phosphodiestérase modifiée (PDE ; ΔRI-PDE8) à abolir les élévations de l’AMPc dans une lignée cellulaire dérivée de la thyroïde9. Dans cet article, nous avons effectué une stimulation cellulaire le long d’une ligne droite au lieu d’une grille, et les points d’éclairage ont été placés par rapport aux points de repère cellulaires (par exemple, le centre nucléaire, le bord nucléaire, etc.) plutôt que selon un modèle systématique. Remarquablement, même les stimulations dirigées vers le bord nucléaire étaient insuffisantes pour déclencher une réponse détectable à l’AMPc. Nous avons estimé que cela était probablement dû à la stimulation d’une masse insuffisante de NLS-bPAC-nLuc9. Cependant, dans le protocole actuel, certaines stimulations dirigées vers le voisinage du bord nucléaire ont provoqué une augmentation détectable de l’AMPc. Cet écart pourrait être attribué à divers facteurs, notamment les niveaux d’expression du bPAC-nLuc, les caractéristiques de la stimulation, la morphologie du noyau, la présence de PDE endogènes, de protéines tampons, etc.
Alors que d’autres protéines optogénétiques ciblées ou non ciblées peuvent présenter des distributions plus diffuses, cette approche systématique permet de tirer des conclusions significatives en mettant en place soigneusement des expériences et en analysant les données. De plus, cette approche permet de cibler des structures cellulaires spécialisées (par exemple, les lamellipodes, les dendrites, les cils primaires, etc.), facilitant les comparaisons entre les réponses dans les régions distales et proximales de ces structures et/ou du corps cellulaire.
Cette stratégie peut également être utilisée pour évaluer l’activation d’éléments en aval dans la voie de l’AMPc, tels que la protéine kinase A (PKA) ou la protéine d’échange directement activée par l’AMPc (EPAC1). De plus, étant donné que bPAC-nLuc n’est pas influencé par les mêmes modulateurs que les CA endogènes, qui peuvent être affectés par des interactions locales avec des protéines ou d’autres facteurs, on peut supposer qu’il génère systématiquement la même quantité d’AMPc avec le même niveau d’expression. En examinant la réduction des élévations de l’AMPc ou la diminution des niveaux d’AMPc après une augmentation temporaire, cette approche permet d’évaluer la dégradation de l’AMPc, la diffusion ou la fonctionnalité et la distribution des EDP endogènes ou transfectées. Cette stratégie s’avère particulièrement utile pour évaluer le comportement de toute protéine optogénétique à différents endroits cellulaires, ce qui permet d’éviter le biais de placer arbitrairement des points de stimulation dans le cytoplasme.
Il est important de tenir compte du fait que la taille du point de stimulation et son énergie dépendront finalement des caractéristiques particulières de l’installation utilisée (trajets lumineux, objectifs, système de balayage, etc.). Pour garantir des résultats précis, l’expression relative de la protéine optogénétique, la sensibilité des cellules à la longueur d’onde utilisée et tout autre paramètre doivent être pris en compte lors de la réalisation de chaque expérience dans chaque système particulier. Il est également essentiel de noter que nous n’avons pas étudié dans quelle mesure le système peut être piloté dans la mise en œuvre de points de stimulation plus petits et/ou de grilles plus denses (c’est-à-dire des points de stimulation moins espacés) pour évaluer systématiquement les structures cellulaires plus petites avec une précision accrue. De plus, nous avons testé cette stratégie en utilisant uniquement le système de balayage de points géographiques UGA-42. Cette approche peut être possible en utilisant différents systèmes, à condition qu’ils puissent générer de manière reproductible des taches localisées régulièrement espacées. Chaque système doit être optimisé pour donner des résultats similaires.
Enfin, la stimulation potentielle des capteurs FRET par le système de stimulation doit être soigneusement évaluée. Par exemple, la protéine fluorescente cyan (CFP) sera certainement stimulée ou même blanchie par le laser 445 nm utilisé dans ce protocole. L’utilisation de puissances laser plus élevées (ou de filtres à densité neutre (ND) à transmission plus élevée) augmentera les chances de stimuler les capteurs fluorescents et, d’introduire de fausses informations dans l’expérience et/ou de générer des problèmes lors de l’analyse des données. Le photoblanchiment normal des capteurs FRET/intensiométriques doit également être soigneusement évalué. Enfin, étant donné que le bPAC peut être sensible à la lumière ambiante et générer de l’AMPc même dans des conditions sombres (l’activité sombre du bPAC a été mesurée à 33 ± 5 pmol/min/mg de protéine3), les cellules doivent être manipulées avec soin après la transfection du bPAC-nLUC pour éviter la contamination par la lumière (par exemple, à l’incubateur, avant et/ou pendant les expériences, etc.). En option, les cellules peuvent être incubées avec un inhibiteur de PDE (par exemple, 3-isobutyl-1-méthylxanthine ; IBMX10) pour déterminer l’activité de base de bPAC-nLuc et confirmer que les conditions d’éclairage utilisées sont suffisamment sombres.