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L'obiettivo di questo studio è stato quello di monitorare con precisione la distribuzione intracellulare di una proteina optogenetica e valutarne le prestazioni all'interno di un particolare compartimento citoplasmatico. Abbiamo anche mostrato le precise capacità di stimolazione di un sistema di scansione puntiforme su cellule che esprimono una proteina optogenetica. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo impiegato un bPAC-nLuc a bersaglio nucleare con alti livelli di espressione ma una distribuzione molto ristretta limitata al nucleo. I risultati hanno mostrato che i punti di stimolazione separati da solo ~1 μm possono innescare o meno la produzione di cAMP, a seconda della distribuzione cellulare della proteina optogenetica; solo le stimolazioni dirette al nucleo sono state in grado di aumentare i livelli di cAMP. In questo protocollo, l'obiettivo non era quello di generare aumenti localizzati di cAMP, ma piuttosto di dimostrare che brevi stimolazioni luminose possono essere sufficientemente accurate da attivare proteine optogenetiche in aree molto ristrette della cellula senza stimolare le proteine circostanti. Tuttavia, questo approccio costituisce un controllo necessario per lo studio di altre proteine optogenetiche con distribuzioni diffuse e/o la generazione di elevazioni localizzate di cAMP. Ciò può essere ottenuto variando i livelli di espressione della proteina optogenetica, l'intensità e la frequenza della stimolazione, ecc. Per misurare con precisione questi segnali localizzati, è fondamentale considerare attentamente i parametri di acquisizione e le caratteristiche del sensore. Ciò include la selezione delle posizioni e delle dimensioni ROI appropriate, la determinazione della frequenza di acquisizione e la scelta di sensori FRET/intensiometrici con affinità, intensità, gamma dinamica e costante di dissociazione ottimali.
In un articolo pubblicato di recente, abbiamo utilizzato una strategia simile per dimostrare funzionalmente la distribuzione di un bPAC-nLuc a bersaglio nucleare e la capacità di una fosfodiesterasi modificata (PDE; ΔRI-PDE8) di abolire l'aumento del cAMP inuna linea cellulare 9 derivata dalla tiroide. In questo articolo, abbiamo condotto la stimolazione cellulare lungo una linea retta invece che una griglia, e i punti di illuminazione sono stati posizionati rispetto ai punti di riferimento cellulari (ad esempio, centro nucleare, bordo nucleare, ecc.) piuttosto che in uno schema sistematico. Sorprendentemente, anche le stimolazioni dirette al bordo nucleare erano insufficienti per innescare una risposta cAMP rilevabile. Abbiamo ragionato che ciò era probabilmente dovuto alla stimolazione di una massa insufficiente di NLS-bPAC-nLuc9. Tuttavia, nel presente protocollo, alcune stimolazioni dirette in prossimità del bordo nucleare hanno suscitato un aumento rilevabile del cAMP. Questa discrepanza potrebbe essere attribuita a vari fattori, tra cui i livelli di espressione del bPAC-nLuc, le caratteristiche della stimolazione, la morfologia del nucleo, la presenza di PDE endogene, proteine tampone, ecc.
Mentre altre proteine optogenetiche mirate o non bersaglio possono mostrare distribuzioni più diffuse, questo approccio sistematico supporta il raggiungimento di conclusioni significative impostando attentamente gli esperimenti e analizzando i dati. Inoltre, questo approccio consente di mirare a strutture cellulari specializzate (ad esempio, lamellipodi, dendriti, ciglia primarie, ecc.), facilitando il confronto tra le risposte nelle regioni distali e prossimali di queste strutture e/o del corpo cellulare.
Questa strategia può essere utilizzata anche per valutare l'attivazione di elementi a valle nella via del cAMP, come la proteina chinasi A (PKA) o la proteina di scambio attivata direttamente dal cAMP (EPAC1). Inoltre, poiché bPAC-nLuc non è influenzato dagli stessi modulatori degli AC endogeni, che possono essere influenzati da interazioni locali con proteine o altri fattori, si può assumere che generi costantemente la stessa quantità di cAMP a parità di livello di espressione. Esaminando la riduzione degli aumenti di cAMP o la diminuzione dei livelli di cAMP dopo un aumento temporaneo, questo approccio consente di valutare la degradazione, la diffusione o la funzionalità e la distribuzione di PDE endogene o trasfettate. Questa strategia si rivela particolarmente utile per valutare il comportamento di qualsiasi proteina optogenetica in diverse sedi cellulari, aiutando a evitare il bias di posizionare arbitrariamente punti di stimolazione all'interno del citoplasma.
È importante tenere conto del fatto che le dimensioni del punto di stimolazione e la sua energia dipenderanno in ultima analisi dalle caratteristiche particolari della configurazione utilizzata (percorsi luminosi, obiettivi, sistema di scansione, ecc.). Per garantire risultati accurati, l'espressione relativa della proteina optogenetica, la sensibilità delle cellule alla lunghezza d'onda utilizzata e qualsiasi altro parametro dovrebbero essere presi in considerazione quando si conduce ogni esperimento in ogni particolare sistema. È anche essenziale notare che non abbiamo studiato l'intera misura in cui il sistema può essere guidato nell'implementazione di spot di stimolazione più piccoli e/o griglie più dense (cioè spot di stimolazione meno distanziati) per valutare sistematicamente strutture cellulari più piccole con maggiore precisione. Inoltre, abbiamo testato questa strategia utilizzando solo il sistema di scansione UGA-42 Geo point. Questo approccio può essere possibile utilizzando diversi sistemi, a condizione che siano in grado di generare in modo riproducibile spot localizzati uniformemente distanziati. Ogni sistema deve essere ottimizzato per produrre risultati simili.
Infine, la potenziale stimolazione dei sensori FRET da parte del sistema di stimolazione deve essere valutata attentamente. Ad esempio, la proteina fluorescente ciano (CFP) sarà sicuramente stimolata o addirittura sbiancata dal laser a 445 nm utilizzato in questo protocollo. L'uso di potenze laser più elevate (o filtri a densità neutra (ND) con trasmittanza più elevata) aumenterà le possibilità di stimolare i sensori fluorescenti e di introdurre false informazioni nell'esperimento e/o generare problemi con l'analisi dei dati. Anche il normale fotosbiancamento dei sensori FRET/intensiometrici deve essere valutato attentamente. Infine, poiché il bPAC può essere sensibile alla luce ambientale e generare cAMP anche in condizioni di oscurità (l'attività al buio del bPAC è stata misurata come 33 ± 5 pmol/min/mg diproteina 3), le cellule devono essere attentamente manipolate dopo la trasfezione di bPAC-nLUC per evitare la contaminazione della luce (ad esempio, all'incubatore, prima e/o durante gli esperimenti, ecc.). Opzionalmente, le cellule possono essere incubate con un inibitore della PDE (ad esempio, 3-isobutil-1-metilxantina; IBMX10) per determinare l'attività di base di bPAC-nLuc e confermare che le condizioni di illuminazione utilizzate siano adeguatamente scure.