מיפוי ההתפלגות התאית של חלבון אופטוגנטי באמצעות רשת גירוי אור
26 בינואר 2024
פרוטוקול זה כולל טרנספקציה של חיישני cAMP ו-bPAC-nLuc, חלבון אופטוגנטי, כדי לעקוב במדויק אחר התפלגות התאים שלו ותגובתו לגירוי האור. הגישה החדשנית של יצירת מפת תגובה cAMP באמצעות מערכת סריקה נקודתית טומנת בחובה פוטנציאל לקידום המחקר עם חלבונים אופטוגנטיים בתחומים שונים.
המעבדה שלנו חוקרת ויסות מרחבי וזמני של AMP מחזורי כדי להבין אילו תנאים מעוררים אירועים ספציפיים במורד הזרם. כדי לחקות ביעילות הפעלה ועיכוב תת-תאיים של איתות AMP מחזורי, אנו מאפיינים את ההתפלגות של כלי אופטוגנטי הנקרא bPAC-nanoluciferase. כדי לבחון את התוקף של מודלים מחזוריים של איתות AMP, פיתחנו כלים להערכה, חיקוי וחסימה של איתות AMP מחזורי מתאים תת-תאיים בתאים חיים.
ניתן להשתמש בפרוטוקול זה כדי לעורר ולהעריך את התפוצה והתפקוד של כלים אופטוגנטיים בצורה שיטתית. ובכן, המטרה שלנו הייתה לבדוק אם תהליך אור מיקוד יכול להפעיל במדויק חלבונים אופטוגנטיים באזורי תא ספציפיים, ובכך להימנע מההשפעה על החלבונים שמסביב. שיטה זו תהיה חיונית לחקר חלבונים עם התפלגויות מפוזרות או אם ההשפעה המיועדת היא ליצור עליות מקומיות ב-AMP מחזורי או במולקולות איתות אחרות.
בניסויים אופטוגנטיים, הגישה האופיינית כוללת גירוי שדה שלם של תאים או לפעמים אזורים ייעודיים קטנים יותר. עם זאת, הבחירה באזור ובעוצמה זו היא לרוב שרירותית. הגישה השיטתית שלנו מאפשרת לחוקרים לערוך ניסויים מדויקים יותר, המסייעים לחקות דפוסים של מסלולי איתות.
למחקר זה, השתמש בתאים שעברו טרנספטציה משותפת עם חיישן AMP מחזורי ממוקד גרעיני וחלבון אופטוגנטי ממוקד גרעיני, NLS-bPAC-nanoluciferase. תרבית ומניפולציה של התאים המבטאים את ה-bPAC הגרעיני בסביבה חשוכה. השתמש במנורת פנס אדום כדי למנוע חשיפה לאורכי גל של פחות מ-500 ננומטר.
בצע את ניסויי ההדמיה במיקרוסקופ דו-סיפוני ממונע המצויד במנוע אור מרובה LED, גלגל מסנן פליטה, שלב XY ממונע, מצלמת ORCA-Fusion Digital CMOS ואובייקט שמן הגדלה פי 100 עם צמצם מספרי של 1.4. כדי לצלם תמונות, השתמש בתוכנת מיקרוסקופיה דיגיטלית. מערך זה מסוגל לעורר תאים ולבצע מדידות FRET בו זמנית על ידי שימוש בנתיב אור עצמאי המצויד במסנן דיכרואי ZT458rdc.
לאחר הפעלת הלייזרים UGA-42 Geosystem ו-LDI-7, הפעל את המיקרוסקופ כדי להגדיר אותו כראוי לרכישת נתונים עם חיישן H208 FRET. לאחר מכן, פתח ברצף את תוכנת ההדמיה ואת תוכנת SysCon השולטת במיקרוסקופ. כדי לכייל את המערכת לפני כל שימוש, נווט אל חלון המצלמה ובחר בכרטיסייה כיול.
הגדר את אורך גל הלייזר התואם לחלבון האופטוגנטי. בחר 445 ננומטר כדי לעורר bPAC-nanoluciferase. בחר בכרטיסייה מצלמה ולחץ על התחל רכישה כדי להתחיל ברכישה מתוכנת ההדמיה.
בחר שוב את הכרטיסיה כיול. לחץ על לחצן התחל כיול. ברשימה הנפתחת שמופיעה, בחר את מצב הכיול המתאים.
בצע את שלבי הכיול שצוינו על ידי היצרן. במידת הצורך, שנה את הגדרות תוכנת ההדמיה כדי לבצע כיול תקין. הקפד לבצע את הכיול על אזור נטול תאים של הדגימה.
לאחר מכן, באמצעות תוכנת ההדמיה, רכשו תמונת פלואורסצנטיות אחת. תאים פלואורסצנטיים יופיעו בחלון מציג התמונות. מקם את התא שיעורר באמצעות המיקרוסקופ שולט XY באזור ההשפעה, רצוי במרכזו.
לפני תחילת הניסוי בפועל, השתמש במצב Click-and-Fire כדי להעריך במהירות את ההיענות של תא בודד. בחלון ציר הזמן, התאם את פרמטרי הגירוי התאי, כולל מקור האור, משך ועוצמת הגירוי. בחלון מציג התמונות, לחץ בערך על מרכז התא והערך את התגובה.
בחלון מציג התמונות, בחר את הסמל העגול בסרגל הכלים משמאל, ובתפריט הנפתח, לחץ על מלא כדי לצייר אובייקטי גירוי מעגליים מלאים. חזור על שלב זה כדי ליצור מספר מעגלים זהים ולהפיץ אותם באופן שווה, תוך הבטחת כיסוי הומוגני של כל הציטופלזמה של התא שיש לעורר. בחלון מציג התמונות, לחץ על סמל מצביע העכבר משמאל ולאחר מכן לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על אחד מאובייקטי הגירוי כדי לבדוק ולערוך את המאפיינים שלו.
לחלופין, בחר את כל אובייקטי הגירוי שצוירו ולאחר מכן לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני כדי לערוך את המאפיינים של כל אובייקטי הגירוי שנבחרו יחד. בחלון המשנה View, לחץ על לחצן Snap to Grid. רשת זו יכולה לסייע בשמירה על מרווח ויישור אחידים של המעגלים ליצירת מטריצה או מערך מתאימים.
בנוסף, התאם אישית את מאפייני הרשת באמצעות לחצן הגדר רשת. פזרו את חפצי הגירוי באופן שווה בעזרת הרשת. הוסף עוד אובייקטי גירוי במידת הצורך כדי לכסות את כל התא.
ודא שלכולם יש את אותם מאפיינים. כל אובייקט גירוי שנוצר בעבר בחלון מציג התמונות יהיה נוכח בחלון ציר הזמן, שם ניתן לערוך קבוצה שונה של מאפיינים, כולל שעת התחלה, משך, עיכוב, עוצמה ועוד. כדי לדמיין כראוי את אובייקטי הגירוי, הרחב תחילה את חלון ציר הזמן.
כעת, אפשר לראות את המאפיינים הזמניים של אובייקטים מעוררים בחלון ציר הזמן. בחר את כל אובייקטי הגירוי וערוך את ההשהיה ומשך הזמן שלהם בחלון המשנה תזמון אובייקטים. בחלון המשנה Lightsource, הגדר את אורכי הגל והעוצמות של האובייקט.
הקפידו על אורך גל ועוצמה זהים לכולם. כדי למנוע הטלת השפעה של שני גירויים או יותר, הגדירו זמני התחלה שונים לכל אובייקט או שנו את ההשהיה ביניהם בהתאם לתוצאה הצפויה. לאחר מכן, בחלון ציר הזמן, שנה את הרצף שבו כל אובייקט גירוי יופעל במידת הצורך.
הגדר את רצף הגירויים בדפוס רגיל או אקראי בהתאם לניסוי. לאחר העלאת הרצף למערכת, הגדר את מספר מחזורי הרצף או הריצות שהמערכת תבצע בחלון המשנה רצף. כדי למדוד את השינויים הקרינה של התא המגורה, מקם את אזורי העניין בתוכנת ההדמיה במיקומים הרצויים.
התחל לרכוש תמונות פלואורסצנטיות. לבסוף, לחץ על Play בחלון UGA-42 כדי להתחיל לעורר את התאים. התבונן בקרני הגירוי בפועל שניתן ללכוד גם על ידי המצלמה ובקורלציה שלהן עם אובייקטי הגירוי.
שימו לב לשינוי בעוצמת העקבה הירוקה בלבד, המראה את העלייה בריכוז ה-AMP המחזורי שנמדד על ידי החיישן. זה קורה במיוחד כאשר הקרן מגיעה לחלק מהתא עם הכמות המינימלית של bPAC-nanoluciferase. הקרינה YFP של H208 שימשה לקביעת מיקום הגרעין.
אזור עניין המכסה את כל הגרעין שימש למדידת שינויים ביחס ה-FRET של חיישן H208 עקב גירוי בנקודות הכחולות המצויינות. זה גילה שעלייה חולפת ב-AMP מחזורי התרחשה רק כאשר אור כחול הופנה לאזורים המכילים bPAC-nanoluciferase. זה אישר כי ה-bPAC-nanoluciferase המכוון לגרעין התבטא אך ורק בתא הגרעיני של תאי HC-1.
סקירה כללית
מחקר זה מתמקד בבקרה המרחבית והזמנית של שילוח cAMP (cyclic AMP) בתאים חיים באמצעות כלי אופטוגנטי, bPAC-nanoluciferase. הפרוטוקול שפותח מאפשר לחוקרים ליצור מפות תגובה מדויקות של cAMP על ידי גירוי סיסטמטי של אזורי תא ספציפיים, ובכך למזער הפרעות לחלבונים תאיים סובבים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מחקר
- שליח cAMP מחזורי
- כלים אופטוגנטיים
- מחקרים של התפלגות תאית
רקע
- חקירת הגורים המפעילים אירועים במורד מסלול השיוך של cAMP
- אפיון ויישום של כלים אופטיים למחקרים תאיים דינמיים
- אתגרים של גירוי תאיים שרירותי בשיטות מסורתיות
שיטות שנעשה בהן שימוש
- טרנספקציה של תאים עם חיישני cAMP ו-bPAC-nanoluciferase
- דימוי תאים חיים וסטימולציה באמצעות מערכות מיקרוסקופיה ייעודיות
- כיול ובקרה מדויקת של עוצמת האור ומשך זמן הסטימולציה
תוצאות עיקריות
- פיתוח גישה שיטתית לגירוי מדויק של אזורי תאים מקומיים
- יכולת לחקות דפוסי איתות של cAMP עם השפעה מינימלית על אזורים סמוכים
- תיקוף של השיטה באמצעות מדידות FRET ודימות
מסקנות
- מחקר זה מדגים את היעילות של שימוש במערכות סריקה נקודתיות לבקרת חלבונים אופטוגנטיים.
- הממצאים בעלי חשיבות רבה למחקרים עתידיים באופטוגנטיקה ובמסלולי העברה של אותות תאיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות לתעשייה עבור מנהלים
מיפוי מדויק של התפלגות חלבונים אופטוגנטיים והפעלה פונקציונלית מקומית מאפשרים חקירה ברזולוציה גבוהה של מסלולי העברה תוך-תאיים בשלבי מחקר של גילוי. גישה זו מגבירה את הביטחון החזוי בתיקוף מטרה על ידי בידוד השפעות תת-תאיות וצמצום הפעלה לא ספציפית. השיטה תומכת בהסרת סיכונים מכניסטית חסונה ומסייעת בקבלת החלטות מוקדמות של מיון תיקי פיתוח עבור אסטרטגיות של מודולציה של מסלולי העברה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה בעלת רזולוציה מרחבית של הפעלת מסלולי איתות ברמה התת-תאית.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות אופטוגנטיות על ידי בידוד פעילות חלבונים בתוך מדורים תאיים מוגדרים.
- מסייע בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי הבחנה בין השפעות איתות מקומיות להשפעות דיפוזיות.
- משפר את הביטחון החזוי עבור אסטרטגיות של מודולציה של מסלולים במורד הזרם.
סריקה ופיתוח בדיקות
- מבסס מיפוי כמותי הניתן לשחזור של התפלגות חלבונים אופטוגנטיים לצורך סטנדרטיזציה של הבדיקה.
- מאפשר הערכה שיטתית של השפעות גירוי מקומי לעומת גירוי גלובלי בבדיקות מבוססות תאים.
- תומך בפיתוח פלטפורמות לסריקה בעלת תוכן גבוה (high-content screening) להפעלה מבוקרת מרחבית של חלבונים.
- מספק תוצאות כמותיות להערכה מהימנה של תרכובות או כלים מחקריים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאים את בחינת השליחויות התת-תאיות למודלים תאיים רלוונטיים למחלה, במידת הצורך.
- תומך ברצף מהשלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות למחקרי מנגנון מדויקים.
- מספק בסיס לקבלת החלטות על קידום מושגים טיפוליים המכוונים למסלולים, תוך התאמה לסיכון.
- משפר את הפיתוח של סמנים ביולוגיים תרגומיים על ידי מיפוי הלוקליזציה הפונקציונלית של חלבונים.
שילוב תהליכים וזרימת עבודה
שיטת המיפוי האופטוגנטי הזו משתלבת ברצף המוקדם של תהליך הגילוי ועד לזיהוי מוביל (discovery-to-lead), ובכך היא תומכת בתהליכי עבודה של תיקוף מטרות המונחים בהיפותזה ופיתוח בדיקות (assays).
- ביולוגיה של גילוי: מאפשרת בדיקת השערות לגבי סיגנלינג מופסל וספציפיות של מסלולים.
- סינון: מספקת נתונים כמותיים וניתנים לשחזור של הפעלה מרחבית לצורך מוכנות של בדיקות.
- אנליטיקה: מספקת מדידות ברזולוציה גבוהה של תגובת cAMP ומיקום חלבונים לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: תומכת בהמשכיות מכניסטית למודלים פרה-קליניים כאשר סיגנלינג תת-תאי רלוונטי למחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת פלטפורמה לשימוש חוזר למיפוי ובדיקה תפקודית של כלים אופטוגנטיים במגוון יעדים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף מטרות.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה של פרוטוקולים של סטימולציה מרחבית לצורך הדירות ויכולת הרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת של go/no-go והקצאת משאבים יעילה מבחינת הון.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכון של מטרות במסלולי איתות ותרכובות כלי עבודה.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות באופטוגנטיקה, דימוי תאים חיים וניתוח פלואורסצנציה כמותי.
- דורש פלטפורמות מיקרוסקופיה מתקדמות עם יכולות גירוי אור programmable ומדידת FRET.
- מחייב כיול קפדני וסטנדרטיזציה של פרמטרי הגירוי בין צוותים שונים.
- ייתכן שיהיה צורך בהתאמה לסוגי תאים שונים או לאסטרטגיות של תיוג סוב-סלולרי.
- מגבלות מעשיות כוללות פוטו-טוקסיות פוטנציאלית והצורך בטיפול בסביבה חשוכה למניעת הפעלה בלתי מכוונת.
