この記事では、HEK293細胞を用いた電気生理学的全細胞パッチクランプ記録により、チャネルロドプシンのイオン選択性がどのように決定されるかを説明しています。ここでは、陰イオン選択性チャネルロドプシンの塩化物選択性を調べるための実験手順を示します。しかしながら、この手順は、異なる選択性を有する他のチャネルロドプシンに移管可能である。
方法論記事
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この記事では、HEK293細胞を用いた電気生理学的全細胞パッチクランプ記録により、チャネルロドプシンのイオン選択性がどのように決定されるかを説明しています。ここでは、陰イオン選択性チャネルロドプシンの塩化物選択性を調べるための実験手順を示します。しかしながら、この手順は、異なる選択性を有する他のチャネルロドプシンに移管可能である。
過去10年間で、チャネルロドプシンは神経科学的研究において不可欠となり、標的細胞における電気的プロセスを非侵襲的に操作するツールとして使用されている。これに関連して、チャネルロドプシンのイオン選択性は特に重要である。この記事では、HEK293細胞の電気生理学的パッチクランプ記録を介して、Proteomonas sulcataの最近同定された陰イオン伝導性チャネルロドプシンの塩化物選択性の研究について説明する。光ゲート光電流を測定するための実験手順は、従来のパッチクランプセットアップの顕微鏡に結合された、高速で切り替え可能な、理想的には単色の光源を必要とする。実験前の準備手順は、緩衝液の調製、液絡部電位の検討、細胞の播種およびトランスフェクション、およびパッチピペットの引き上げを含む概略を述べる。電流 - 電圧関係の実際の記録トランスフェクションの24時間後から48時間後に異なる塩化物濃度の逆転電位を測定することができます。最後に、電気生理学的データを塩化物伝導の理論的考察に関して分析する。
チャンネルロドプシン(ChR)は、運動性の緑藻の眼球のスポットに存在する光依存性イオンチャネルであり、光走性および恐怖反応の主要な光センサーとして機能する1 。 2002年2月の最初の記述以来、ChRは新興オプトジェネティクス分野への道を開き、様々な興奮性細胞、例えば骨格筋、心臓、または脳内に適用することができる3,4,5。標的細胞におけるChRの発現は、それぞれの細胞の光制御可能なイオン透過性をもたらす。これは、ニューロンの状況において、活動電位(AP)の発火(伝導イオンに依存する)の活性化6,7,8または阻害9,10を空間的および時間的ChR変異体のイオン選択性がどのようにその光発生適用を決定するかを強調する光の精度。
Chlamydomonas reinhardtiiおよびVolvox carteri由来の最初に発見されたChRは、プロトンに対して透過性であるが、ナトリウム、カリウム、およびカルシウムおよびマグネシウムなどの二価陽イオンにはあまり関わらない一価カチオンにも透過性である11,12,13 。今日では、70種類以上の天然カチオン伝導性チャネルロドプシン(CCR)14,15,16,17およびいくつかの改変された改変体18,19,20が 、 光電流サイズ、分光感度、カイネティックス、およびカチオン選択性が利用可能である。神経科学では、CCRはa細胞を活性化させ、APを誘発するために再使用される場合、光駆動の微生物ポンプは、ニューロンをサイレンシングするために唯一利用可能なアンタゴニストであった。 2014年に2つのグループが同時に、CCRが分子工学を介して推定イオン伝導ポアに沿って極性を変化させることにより、陰イオン伝導チャネルロドプシン(ACR)に変換できることを示した9,21。続いて、いくつかのクリプトフィト藻類において天然ACRが同定された22,23,24。最も重要なことに、ACRの軽い活性化は、成人ニューロンにおける塩化物電流を媒介し、吸収された光子につき単一の電荷のみを輸送する微生物ポンプよりもはるかに低い光強度でニューロン活性の阻害を可能にする。
ChR活性は、HEK293細胞における光誘起電流の電気生理学的パッチクランプ記録によって直接対処することができる。パッチクランプ技術はもともと1970年代後半に開発されたものであり、Hamill et al。高い電流分解能および膜電圧26の直接制御を伴う小さなセル(全細胞モード)からの電流実体の記録を可能にする。細胞培養に適用されるこの技術は、イオンおよび電気記録条件の正確な制御を提供し、イオン選択性を総電流に対するイオンの相対的な寄与と共に研究することを可能にする。ここでは、様々な細胞外クロライド濃度下で電流 - 電圧関係を記録して、高塩化物コンダクタンスを証明することにより、Proteomonas sulcata( Ps ACR1) 22,23の陰イオン伝導性チャネルロドプシンのイオン選択性の試験を例示する。
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図1:パッチクランプのセットアップ (1)光源、(2)光ファイバ、(3)プログラマブルシャッタ、(4)デジタイザ、(5)シャッタドライバ、(6)増幅器、(7)灌流システム、 (10)ファラデーケージ、(11)顕微鏡ステージ、(12)灌流入口、(13)灌流出口、(14)記録チャンバー、(15)液面センサー、 (22)顕微鏡ランプ電源、(23)水で満たされたU字管、(24)3方向バルブ、(25)防振テーブル、(26)CCDカメラ。 ( A )写真と( B )設定の略図。 より大きいバージョンのtを見るにはここをクリックしてください彼の姿
1.録音前の設定
| イントラ。 | 余分な | 余分な | |
| 高塩化物 | 高塩化物 | 低塩化物 | |
| c [mM] | c [mM] | c [mM] | |
| Na-ASP | 0 | 0 | 140 |
| NaCl | 110 | 140 | 0 |
| KCl | 1 | 1 | 1 |
| CsCl | 1 | 1 | 1 |
| CaCl 2 | 2 | 2 | 2 |
| MgCl 2 | 2 | 2 | 2 |
| HEPES | 10 | 10 | 10 |
| EGTA | 10 | 0 | 0 |
| pH | 7.2 | 7.2 | 7.2 |
| オスモル濃度 | 290 mOsm | 320mOsm | 320mOsm |
表1:緩衝溶液のイオン組成。 HEK細胞における塩化物選択性実験のための細胞内(イントラ)および細胞外(余分)バッファーの組成。使用された略語:エチレングリコール四酢酸(EGTA)、4-(2-ヒドロキシエチル)-1-ピペラジンエタンスルホン酸(HEPES)およびアスパラギン酸塩(ASP)。全ての濃度はmMである。
2.選択性の測定
3.データ評価
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図2は、記載されたプロトコルに従った測定から得られた代表的な結果を示す。緑色光を照射している間、 Ps ACR1は速い過渡電流を特徴とし、急速に定常電流レベルまで減衰します。光が消灯した後、光電流はミリ秒以内にゼロに減衰します( 図2A )。細胞外の塩化物濃度を交換すると、獲得した光電流トレースに直接見ることができる反転電位がシフトする。複数の測定からの逆転電位の評価は、外部塩化物濃度の変動によって引き起こされる劇的な逆電位変動を定量化する( 図2B )。驚くべきことに、測定された反転電位は、塩化物の計算されたネルンスト電位に直接対応しており( 図2C )、 Ps ACR1の高い塩化物選択性を裏付けている。
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定義されたイオン状態および電気状態での反転電位の決定は、ChRの光活性化後に輸送されるイオン種に関する情報を提供する。排他的に1つのイオン種が複雑な生理学的媒体中で変化し、得られた逆電位が理論上のネルンスト電位に従ってシフトするならば、このイオン種は唯一の輸送種である。
しかし、ChRの場合、反転電位シフトは通常、異なるイオン種への浸透性および伝導イオン間の競合のためにネルンスト方程式から予測されるよりも顕著ではない。この場合、状況はより複雑になり、潜在的に伝導される全てのイオンは、様々な測定溶液を必要とする別々に交換されなければならない。さらに、ほとんどのCCRおよび第1の人工ACR9,10,21は、プロトンについては導電性であるが、プロトン濃度プロトン濃度は反転ポテンシャルをシフトさせるだけでなく、水素結合ネットワークの変化によるイオンコンダクタンス9 、光カイネティクス21,36およびスペクトル光感度11,37にも影響し得るので、特に徹底的な分析が必要である。個々の残基および二次構造が変化する。プロトンコンダクタンスは、Na <...
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著者らは開示するものは何もない。
優れた技術支援をしてくれたMaila Reh、Tharsana Tharmalingam、特にAltina Kleinに感謝します。この研究は、ドイツ研究財団(DFG)(SFB1078 B2、FOR1279 SPP1665〜PH)およびカタリシス、UniCat、BIG-NSE(JV)およびE4(PH)における優良概念クラスタのクラスターによって支持された。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| HEK293細胞 | Sigma Aldrich | 85120602 | ヒト胚性腎臓細胞 |
| Retinal | Sigma Aldrich | R2500 | all-trans retinal |
| FuGENE HD | Promega | E2312 | トランスフェクション試薬 |
| DMEM | Biochrome | FG 0445 | Dulbecco's Modified Eagle Medium |
| Agarose | Roth | 3810 | 寒天ブリッジ |
| CaCl2 | Roth | 5239 | CaCl2 2H2O |
| CsCl | Biomol | 2452 | |
| EGTA | Roth | 3054 | |
| FBS | Biochrome | S0615 | 細胞培養 |
| グルコース | Roth | HN06 | D(+)-Glucose |
| KCl | Roth | 6781 | |
| MgCl<サブ>2 | ロス | 2189 | MgCl<サブ>2 6H<サブ>2O |
| NaCl | ロス | 3957 | |
| NMG | シグマ アルドリッチ | M2004 | N-メチル-D-グルカミン |
| ナアスパラギン酸 | シグマ アルドリッチ | A6683 | L-アスパラギン酸ナトリウム塩一水和物 |
| クエン酸 | ロス | 6490 | |
| AgeI | ThermoFischerScientific | ER1462 | 制限酵素 |
| XhoI | ThermoFischerScientific | ER0695 | 制限酵素 |
| NheI | ThermoFischerScientific | ER0975 | 制限酵素 |
| XL1Blue E. coli | Agilent Technologies | 200249 | Chemocompetent E. coli |
| カナマイシン | ロス | T832 | |
| リソジェニーブロス培地 | ロス | X964 | |
| 寒天-寒天 | ロス | 6494 | 寒天プレート |
| プラスミド精製キット | マーチェリーナーゲル | 740727.25 | |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | バイオクローム | A 2213 | 細胞培養 |
| ポリ-D-リジン臭化水素酸 | シグマアルドリッチ | P6407-5MG | カバースリップコーティング |
| Microforge | メイド | の火磨き | |
| セロロジカルピペットTPP | さまざまなサイズ | ||
| クリーンベンチ | Kojair | バイオウィザードSL130 | |
| ラーIKA | RCTクラシック | ||
| シルバーワイヤー | サイエンス製品 | AG-T25;AG-T10 | 電極、0.64 mm (浴)、0.25 mm (電極)、 |
| pH メーター | Knick | 765 Calimetric | |
| Osmometer | Vogel | OM 815 | |
| 顕微鏡 | Carl Zeiss | ID03 | ファイヤーポリッシング |
| CO2 インキュベーター | バインダー | CB150 | |
| 細胞培養皿 | TPP | 93040 | 34 mm 内直径 |
| カバー スリップ | Roth | P232 | 直径 15 mm |
| 温度計 | Rössel Messtechnik | MTM12 | |
| Beamsplitter | Chroma | 21011 | 90/10 トランスミッション |
| ピペットホルダー | ALA Scientific Instruments | PPH-1P-AXU-0-1.5 | |
| Headstage | Molecular Devices | CV203BU | |
| Amplifier | Molecular Devices | AxoPatch200B | |
| Digitizer Molecular Devices | DigiData1400 | デジタルアナログコンバータ | |
| 光源 | TILL フォトニクス | ポリクロームV | 540nmに設定 全強度 |
| 顕微鏡 | カールツァイス | Axiovert 100 | |
| シャッター | ヴィンセントアソシエイツ | VS25 | |
| シャッタードライバー | ヴィンセントアソシエイツ | VCM-D1 | |
| ガラスキャピラリー | ワーナーインスツルメンツ | G150F-3 | ホウケイ酸キャピラリー、ファイヤーポリッシュエンド OD 1.5 mm ID 0.86 mm |
| マイクロピペットプーラー | Sutter Instruments | P1000 | |
| バスハンドラー | Lorenz Messgerätebau | MPCU | |
| トリプルバンドフィルターセット | Chroma | 69008 | 蛍光フィルター ECFP/EYFP/mCherry |
| CCDカメラ | Watec | Wat-221SCCD | |
| オプトメーター | ギガヘルツOptik | P9710 | 光強度の測定 |
| 対物レンズ | カールツァイス | 421462-9900-000 | W プランアポクロマート 40X/1.0 DIC |
| マイクロマニピュレーター | サイエンティフィカ | パッチスター | |
| 録音室 | カスタムメイド | ||
| 電源 | マンソン | HCS-3202 | 顕微鏡内蔵電源からの電気ノイズを回避 |
| 振動分離テーブル | ニューポート | M-VW-3636-OPT-01 | |
| ファラデーケージ | カスタムメイドまたは任意の商用マッチングテーブル | ||
| ホース | 任意の商用、例えばロス | 浴槽の取り扱いとピペット圧力の適用のための異なるサイズと材料、寒天ブリッジ | |
| リニアシェー | カーSunlabの器械 | SU 1000 | |
| の液体の接合電位電位計算機 | の分子装置または直接ピーターH.バリー | プログラムからClampexの獲得ソフトウェアに含まれているか、またはから得ることができる p.barry@unsw.edu.au | |
| データ収集ソフトウェア | Molecular Devices | Clampex 10.X | |
| データ評価ソフトウェア | Molecular Devices | Clampfit10.X | |
| PsACR1 | GenBank or Addgene | KF992074.1 or Addgene plasmid #85465 | Gene encoding for PsACR1 |
| Amplifier guide | Molecular Devices | The Axon Guide |
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