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Gli attributi spazio-temporali dei transitori intracellulari del calcio (Ca 2+ ) attivano varie funzioni biologiche 1 . Questi eventi di segnalazione Ca 2+ vengono scatenati extracellulari attraverso diversi stimoli e controllati intracellulariamente dalle principali organelle di stoccaggio Ca 2+ e da numerose Ca 2+ pompe, canali e proteine leganti Ca 2+ . I transitori Ca 2+ possono essere alterati in modo significativo a causa di difetti con la modulazione del segnale, portando a diverse malattie 2 . A causa della velocità e dell'intricacy del sistema di segnalazione Ca 2+ , con il reticolo endo- (ER) e sarcoplasmatico (SR) al centro, sono necessarie sonde Ca 2+ geneticamente codificate che sono state ottimizzate per l'espressione dei mammiferi con una rapida cinetica Per osservare i cambiamenti globali e locali di Ca 2+ in cellule diverse 3 .
L'ER e la SR, La sua controparte nelle cellule muscolari, sono i principali organoli di storage Ca 2+ intracellulari e fungono da pozzetti Ca 2+ che aiutano ad amplificare il segnale Ca 2+ 4 . L'ER / SR è parte integrante della segnalazione Ca 2+ con doppio ruolo come trasmettitore e ricevitore di segnali 5 . Il recettore del ryanodine (RyR) e il recettore inositolo 1,4,5-trifosfato (IP 3 R) sono recettori di rilascio Ca 2+ situati sulle membrane del ER / SR regolate da Ca 2+ 6 . Altri agenti stimolano direttamente o indirettamente la funzione di questi recettori. 4-cloro-m-cresolo (4-cmc) è un potente agonista della RyR, con una sensibilità più alta di 10 volte rispetto alla caffeina per indurre la liberazione di SR Ca 2+, dove entrambi sono regolarmente impiegati per studiare la rilascio Ca 2+ mediata da RyR Cellule sane e malate 7 . ATP aumenta il Ca 2+ re mediato da IP 3Leasing attraverso il IP 3 R 8 . ATP si lega al recettore purinergico P2YR, un recettore accoppiato a proteine G (GPCR), innescando la produzione di IP 3 che si lega all'IP 3 R per rilasciare Ca 2+ dalla ER 9 , 10 . La pompa di calcio ATPase (SERCA) di tipo reticolare sarco-endoplasmatico è una pompa ATPasi tipo P, situata anche sulla membrana ER / SR che riduce la Ca 2+ citosolica e ricarica l'ER / SR attivamente pompando lo ione nel lumen ER / SR 11 . Gli inibitori specifici della pompa SERCA includono thapsigargin, da Thapsia garganica e acido ciclopiazonico (CPA), da Aspergillus e Penicillium . La CPA ha una bassa affinità per la pompa e reversibilmente blocca il punto di accesso Ca 2+ 12 . Thapsigargin, d'altro canto, si lega irreversibilmente alla pompa libera Ca 2+ al residuo F256 nell'elica M3 con nanomoloAffinità 11 . Analizzare e quantificare i cambiamenti coinvolti negli eventi stimolati da Ca 2+ è stato e rimane una sfida. Dal momento che l'ER / SR è il principale contenitore subcellulare Ca 2+ contenente una funzione centrale nella propagazione del segnale Ca 2+ , molti lavori sono stati focalizzati sulla comprensione del segnale ER / SR Ca 2+ 5 .
La creazione di coloranti sintetici Ca 2+ ha contribuito a promuovere il campo e la pratica dell'immagine Ca 2+ . Anche se i coloranti, come Mag-Fura-2, sono stati ampiamente utilizzati per misurare Ca 2+ compartimentalizzati in diverse cellule, 13 , 14 , 15 hanno limitazioni quali il caricamento di tinte non uniformi, la fotolibrazione e l'incapacità di essere destinati a specifici organelli . La scoperta della proteina fluorescente verde (GFP) e l'avanzamento delle proteine fluorescenti-Sonde Ca 2+ ha spinto il campo di Ca 2+ in avanti 16 . Alcuni dei GECI esistenti sono coppie di trasferimento di energia di risonanza Förster (FRET) che coinvolgono la proteina fluorescente gialla (YFP), la proteina fluorescente cianica (CFP), il calmodulina e il peptide legante M13 17 , 18 . I GECI a base di Troponin C sono disponibili anche come coppia FRET di CFP e Citrine e come singole sonde di fluoroforo 19 , 20 , 21 . Altri, come GCaMP2 e R-GECO, sono singoli sensori fluorofori coinvolgenti la calmodulina 22 , 23 . Per superare le limitazioni della sintonizzazione stretta di K d e di legame cooperativo associato a più siti di legame Ca 2+ trovati nei loro domini 24 legati alla Ca 2+ , una nuova classe di calcio senI disordini sono stati creati progettando un sito di legame Ca 2+ sulla superficie del barile beta in una posizione sensibile al cromoforo di proteine fluorescenti verde avanzate (EGFP) 25 , 26 . Questo sensore altamente protetto, chiamato CatchER, ha un K d di ~ 0,18 mM, ak vicino al limite di diffusione e ak off di 700 s -1 . CatchER è stato usato per monitorare il rilascio di calcio ER / SR mediato dal recettore in diverse linee cellulari di mammiferi come HeLa, HEK293 e C2C12 25 . A causa della sua rapida cinetica, CatchER è stato utilizzato in fibre muscolari flexor digitorum brevis (FDB) di topi giovani e vecchi Friend Virus B NIH Jackson (FVB) per rivelare che più Ca 2+ rimane nella SR dopo 2 s di depolarizzazione nella FDB Fibre di vecchi topi rispetto a quelli dei giovani topi 27 . Per superare la sua bassa fluorescenza a 37 ° C, che ostacola le sue applicazioni nell'immagine del calcio di mammiferiAbbiamo sviluppato una versione migliorata di CatchER chiamata CatchER + . CatchER + mostra una migliore fluorescenza a 37 ° C per una migliore applicazione nelle cellule dei mammiferi. Ulteriori mutazioni sono state incorporate in CatchER per migliorare la termostabilità e la fluorescenza a 37 ° C 28 , 29 , per creare CatchER + . CatchER + mostra un aumento del suo rapporto segnale / rumore (SNR) di sei volte rispetto a CatchER 30 .
Qui vengono presentati i protocolli per la cultura e la trasfezione delle cellule HEK293 e C2C12 con CatchER + e la sua applicazione per il monitoraggio dei transienti di calcio mediati dal recettore ER / SR. I risultati rappresentativi sono mostrati per CatchER + espresso in cellule HEK293 trattate con 4-cmc, CPA e ATP. Inoltre forniamo un protocollo per la determinazione del in situ K d di CatchER + in cellule miooblasto C2C12 e quaDi basale [Ca 2+ ].