$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
I recettori di membrana svolgono un ruolo cruciale nei processi fisiologici in tutto il corpo umano1. Una funzione primaria è quella di mediare la comunicazione tra le cellule attraverso il trasferimento di stimoli extracellulari per avviare eventi di segnalazione intracellulare. A causa del loro ruolo fondamentale nella segnalazione, quasi il 70% delle terapie esistenti ha come bersaglio i recettori di membrana2. Sono spesso strutture oligomeriche composte da più subunità assemblate in forme eteromeriche con più stechiometrie 3,4. Comprendere come i recettori si organizzano in complessi funzionali è fondamentale per chiarire i loro ruoli nella salute e nella malattia 5,6. I metodi biochimici tradizionali, come l'immunoprecipitazione e il western blotting, forniscono misurazioni medie dell'insieme, che oscurano l'eterogeneità nelle sottopopolazioni recettoriali7. Al contrario, le tecniche a singola molecola consentono l'osservazione diretta dei singoli recettori, consentendo la quantificazione dell'eterogeneità all'interno delle popolazioni di recettori 8,9,10. Le tecniche a singola molecola sono diventate lo standard per quantificare l'assemblaggio dei recettori di membrana, la stechiometria e l'oligomerizzazione11,12. Questo approccio è stato ampiamente applicato a molti recettori di membrana fisiologicamente rilevanti utilizzando proteine isolate o condizioni di coltura cellulare. Gli studi su singole molecole si basano principalmente su sistemi di espressione in vitro, in cui le proteine possono essere isolate da un ambiente cellulare. Tuttavia, la complessità all'interno di un sistema vivente non si riflette pienamente in questi tipi di sistemi di espressione eterologhi.
Per superare queste limitazioni, abbiamo sviluppato un approccio che isola e visualizza i recettori di membrana in uno stato fisiologicamente rilevante catturandoli all'interno di nanovescicole derivate direttamente da tessuti cardiaci e neuronali. Questo metodo preserva efficacemente lo stato di assemblaggio del recettore al momento della formazione delle vescicole, consentendo la visualizzazione diretta della stechiometria della subunità del recettore, che è un indicatore fondamentale della risposta del recettore in diversi ambienti fisiologici. Questo approccio ci consente di esaminare l'assemblaggio stechiometrico dei recettori di membrana che si verificano con il complesso ambiente biologico all'interno di animali vivi senza richiedere espressione eterologa o ricostituzione. Utilizzando la microscopia a fluorescenza a riflessione interna totale (TIRFM), otteniamo l'imaging con risoluzione di una singola molecola di recettori incapsulati con vescicole ed estraiamo tracce di fotosbiancamento per determinare la composizione delle subunità.
TIRFM è adatto per l'imaging di proteine di membrana a singola molecola perché eccita selettivamente i fluorofori entro ~150 nm dalla superficie del vetro, riducendo la fluorescenza di fondo dalle molecole in soluzione 3,10. Questo confinamento migliora significativamente il rapporto segnale/rumore, consentendo un rilevamento accurato dei singoli complessi recettoriali di membrana. Analizzando il photobleaching graduale dei recettori marcati in fluorescenza, possiamo determinare direttamente la stechiometria delle subunità e valutare la potenziale eterogeneità all'interno delle popolazioni di recettori12. Ciò è particolarmente rilevante per il recettore 2 della rianodina (RyR2), un grande canale di rilascio intracellulare del Ca²⁺ che svolge un ruolo cruciale nell'accoppiamento eccitazione-contrazione nel cuore, dove si assembla solo come omo-tetramero, e nella funzione sinaptica nel cervello, dove il suo assemblaggio non è stato stabilito 1,13,14. Data la presenza di più isoforme di RyR nei tessuti neuronali, non è chiaro se RyR2 formi complessi tetrameri puramente omomerici nel cervello, costituiti da quattro subunità identiche come nel cuore, o se assemblaggi eteromerici con RyR1 o RyR3 si verifichino in vivo 15,16,17,18.
Isolando le vescicole da specifiche regioni del cuore e del cervello, questo metodo consente di studiare potenziali differenze tessuto-specifiche nell'organizzazione di RyR2. Sfruttiamo le proprietà di RyR2 nel tessuto cardiaco, dove può formare solo omotetrameri, per fornire una base statisticamente robusta per la stechiometria a subunità di una singola molecola ex vivo, e l'assemblaggio noto del tetramero funge da controllo per studiare assemblaggi sconosciuti in altri organi. La capacità di visualizzare i recettori nel loro stato nativo, preservando le loro interazioni fisiologiche, fornisce un quadro solido per studiare l'assemblaggio dei recettori in diversi organi e in diverse condizioni fisiologiche. Questo protocollo descrive il flusso di lavoro per l'isolamento delle vescicole, l'immobilizzazione e l'imaging di singole molecole di RyR2 marcato con GFP, consentendo una caratterizzazione precisa della stechiometria del recettore. Questa tecnica non solo fa progredire la nostra comprensione dell'organizzazione di RyR2 nei tessuti cardiaci e neuronali, ma offre anche applicazioni più ampie per lo studio dell'assemblaggio e della regolazione dei recettori in vari contesti fisiologici e patologici 19,20,21.