ここでは、光反応性の非天然アミノ酸を遺伝子的にコード化することにより、短い光パルスでニューロンタンパク質を選択的に活性化する手順を、培養中または生体内でニューロンで発現するニューロン
に提示します。方法論記事
ここでは、光反応性の非天然アミノ酸を遺伝子的にコード化することにより、短い光パルスでニューロンタンパク質を選択的に活性化する手順を、培養中または生体内でニューロンで発現するニューロン
に提示します。光刺激は、優れた空間的および時間的解像度で生物学的イベントを制御する非侵襲的な方法です。天然環境で発現する内因性タンパク質を光制御するための新しい方法が望まれています。ここでは、遺伝的にコードされた非天然アミノ酸(Uaa)を使用して、ニューロン内のニューロンタンパク質の機能を光学的に制御するアプローチを紹介します。直交するtRNA/アミノアシル-tRNA合成酵素ペアを使用して琥珀色のコドンを抑制することにより、光反応性Uaa 4,5-ジメトキシ-2-ニトロベンジル-システイン(Cmn)が、内向きに整流するカリウムチャネルであるニューロンタンパク質Kir2.1の細孔に部位特異的に取り込まれます。かさばるCmnはチャネルの細孔を物理的にブロックし、Kir2.1を非導電性にします。光の照明は、Cmnを瞬時に小さな天然アミノ酸Cysに変換し、Kir2.1チャネル機能を活性化します。我々は、これらのpホト誘導性in方向レクト化カリウム(PIRK)チャネルをラット海馬初代ニューロンに発現させ、PIRKの光活性化が活性化されたKir2.1チャネルを通るK+電流の流出によりニューロンの発火を停止することを実証した。また、インウテロエレクトロポレーションを用いて、in vivoのマウス新皮質胚でもPIRKを発現させ、新皮質ニューロンにおけるPIRKの光活性化を示しています。Uaaを遺伝的にコードするものは、標的タンパク質の種類や細胞の位置に制限を課さず、光反応性Uaasのファミリーは、異なる天然アミノ酸残基を調節するために利用可能です。したがって、この技術は、脳内のさまざまなプロセスの光学的調節を達成するために、多くのニューロンタンパク質に一般的に適用される可能性を秘めています。現在のプロトコルは、分子レベルでのニューロンタンパク質活性の光制御を達成するために、in vitroおよびin vivoでニューロンに複雑なUaaを組み込むためのアクセス可能な手順を示しています。
従来の電気刺激に比べて、光刺激は、検体の生理学的システムへの干渉が最小と大きな時間的、空間分解能を提供しています。 1971年1でニューロンを刺激するためにレーザーを使用してのデモンストレーション以来、多くの創造的な方法は、外因的に光で神経活動を制御するために発明されています。フォトケージアゴニストの光学リリースが長いリガンド2,3,4への神経回路網の生理学的応答を研究するために使用されています。この技術は、ケージドアゴニストの拡散に起因する特異性が限られています。遺伝子特異性は、異所的に発現している感光性オプシンチャネルによって達成さ5,6,7ポンプ 、正常に多様なモデル生物における選択された神経回路網を調節するために適用されているされています。しかし、他のタンパク質へのオプシンタンパク質からの光応答をグラフトするため、光学的に、様々な他のニューロンタンパク質を制御するためにこの方法を適用することは困難であろうwoul検討中のタンパク質の天然の特性を変更することができる強烈なエンジニアリングを必要とdは。化学的にタンパク質の外因性の感光性リガンドがチャネルタンパク質8,9,10の機能を制御する別の方法を示した係留。リガンドが提示またはアゾベンゼン部分の光異性化を介してタンパク質の結合部位から引き抜かれます。テザリング化学は、細胞内側面と細胞内タンパク質を除き、主に膜タンパク質の細胞外側への適用を制限します。
光応答Uaasは、タンパク質に組み込まれた後、光を有するタンパク質を操作するための一般的な戦略を提供します。初期の努力では、化学的にフォトケージUaasでアシル化したtRNAは、その構造と機能の関係12,13,14の理解を進めてきた膜受容体およびイオンチャネル11へUaasを組み込むためにアフリカツメガエル卵母細胞にマイクロインジェクションしました。このマイクロインジェクション法は、主に大規模な卵母細胞に限定されています。 UAAの遺伝的取り込みは、生細胞15,16,17,18における内因性タンパク質の翻訳を介してUAAを組み込んだ直交tRNA /シンテターゼ対を使用して技術的に困難のtRNAアシル化およびマイクロインジェクションをバイパスします。神経タンパク質へUAAの取り込みは、一次ニューロンおよび神経幹細胞19,20に実証されています。最近では、光応答UAAは、遺伝的に初めて21 in vivoでの哺乳類の脳内の神経タンパク質に組み込まれています。これらの進歩は、それらの天然の細胞環境にUaasと神経細胞のタンパク質を研究することを可能にします。
内向き整流カリウムチャネルKir2.1は、細胞の外よりにより容易にK +電流を通過させる強力な整流器であり、細胞の興奮性、血管緊張、心拍数、再を含む生理学的プロセスを調節するのに不可欠です最終塩の流れとインスリン放出22。 Kir2.1の過剰発現は少なく、興奮23,24となるターゲットニューロンの膜電位を高分極します。カンら 、そのネイティブの細胞におけるKir2.1光学的に制御する。Kir2.1への遺伝的に組み込まれた光応答性UAAは、哺乳動物細胞、神経細胞および胚性マウス脳21で表しました。光の短いパルスは、このようにターゲットKir2.1タンパク質を活性化する、天然アミノ酸のCysにUAAを変換することができました。この写真誘導性内向き整流カリウム(PIRK)チャネルタンパク質は、ラット海馬初代神経細胞で発現させた場合には、光活性化に応答してニューロンの発火を抑制しました。また、PIRKチャネルは、胚性マウス新皮質で発現させ、皮質ニューロンにおける光活性PIRK電流を測定しました。哺乳類の脳におけるインビボでのUAA技術の実装を成功させるには、光学的にニューロンタンパク質を制御するための扉を開きます彼らのネイティブ環境で、分子レベルでの神経細胞のプロセスとメカニズムの光学解剖を可能になります。
このプロトコルでは、文化およびin vivoでのマウス胎児の脳内の主要なニューロンへUaasの遺伝子組み込みのための手順について説明します。光応答UAA CMNとKir2.1処理を説明するために使用されます。成功UAA取り込みおよび神経タンパク質活性の光制御を評価するための方法が提供されます。このプロトコルは、遺伝的に神経細胞およびin vivoで Uaasをコードする、および光学的に光応答UAAを介した神経タンパク質の機能を調節するために明確なガイドを提供します。私たちは、このプロトコルは、神経科学と光遺伝学、生物学的研究のためのin vivoでの UAA技術の採用を促進することを期待しています。
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現在の研究のすべての手順は、施設内動物管理使用委員会(IACUC)を用いて実施したソーク研究所、ラ・ホーヤ、カリフォルニア州で動物取扱プロトコルを承認
1. UAA Kir2.1で設立し、初代神経細胞培養における結果として生じるPIRKの発現
2. Kir2.1でUAA定款およびin vivoでのマウス胚の脳内の結果として生じるPIRKの発現
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遺伝的に神経細胞におけるタンパク質にUAAを組み込むために、最初の重要なステップは、適切な遺伝子を提供し、神経細胞に効率的に遺伝子を発現するために構築設計することです。 UAAの取り込みのための3つの遺伝子コンポーネントがある:(1)UAA取り込み(2)変異したTAG停止コドンを認識する直交tRNA、及び(3)直交アミノアシルために選択された部位に導入されたTAGアンバー終止コドンを有する標的遺伝子-tRNAシンテターゼは直交tRNAにUAAを充電します。各コンポーネントは、適切なプロモーターによって駆動される必要があります。これら三つの遺伝子カセットは、1つのプラスミドに含まれる、またはいくつかのプラスミドに分離することができます。ニューロンにおけるPIRKを表現するために、光反応性UAA CMNは直交tRNA Leuの CUA / CmnRS(CMN-tRNA合成酵素)CMN 21,29のために特異的であるように進化したペアを使用して、Kir2.1に組み込まれています。 Kir2.1遺伝子の残基Cys1...
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効果的な光変調を実現するために、重要な最初のステップは、ここで標的タンパク質に光応答UAAを組み込むことを決定することです。標的タンパク質の構造的および機能的情報は、候補サイトの選択を導くために非常に有用です。これと同時に、光調節の目的は、最も適しているサイト決定するであろう。候補地を選択した後、私たちは、一次ニューロンへとin vivoで進める前に、このようなヒト胚性腎臓(HEK)容易文化や操作のための細胞などの哺乳動物細胞株でサイトをテストすることをお勧めします。 Kir2.1光活性化のための部位を同定するために、Kir2.1の孔に沿って複数のサイトが最初にHEK細胞で試験されています。 C169が存在Kir2.1孔径はCMN側鎖を収容するのに十分な大きさが、イオンの通過を遮断するCMN側鎖のために十分に小さいため、Kir2.1のC169は、最適な発見されました。 CMNはKir2.1にC169に組み込まれたときにHEK細胞で発現、トン彼は不活性であったが、成功したPIRK開発21を確認し、光の短いPuleの際に活性化になった突然変異体Kir2.1を結果として生じます。
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著者らは開示するものは何もない。
ニューロン培養とCa-Pトランスフェクションに関する有益な議論をしてくださったS.Szobota博士に感謝します。L.W.は、The Salk Innovation Grant、California Institute for Regenerative Medicine(RN1-00577-1)、およびNational Institutes of Health(1DP2OD004744)からの支援に感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| カバーグラス、サークル、12 mm、厚さ0.13-0.17 mm | Carolina Biologicals | 633029 | |
| Corning BioCoat Poly-D-Lysine | Corning Discovery Labware | 354210 | |
| D-(+)-グルコース溶液 | Sigma-Aldrich | G8769 | |
| 虹彩へら湾曲 | ファインサイエンスツール | 10092-12 | |
| 解剖ナイフ - 細かい角度の先端 | ファインサイエンスツール | 10056-12 | |
| GlutaMAX-I Supplement | Life Technologies | 35050-061 | |
| MITO+ Serum Extender | BD Biosciences | 355006 | |
| Falcon 40 & micro;m Cell Strainer | Corning Life Sciences | 352340 | |
| BES (N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-2-aminoethanesulfonic acid, N,N-Bis(2-hydroxyethyl)taurine) | Sigma-Aldrich | B6420 | |
| LED光源 –ブラックLED 385 | Prizmatix Ltd. | ||
| アガロース、低融点、分析グレード | プロメガ | V2111 |
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