이 프로토콜은 cAMP 센서와 광유전 단백질인 bPAC-nLuc를 transfection하여 세포 분포와 광 자극에 대한 반응을 정확하게 추적합니다. 포인트 스캐닝 시스템을 사용하여 cAMP 응답 맵을 만드는 혁신적인 접근 방식은 다양한 분야에서 광유전 단백질에 대한 연구를 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
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이 프로토콜은 cAMP 센서와 광유전 단백질인 bPAC-nLuc를 transfection하여 세포 분포와 광 자극에 대한 반응을 정확하게 추적합니다. 포인트 스캐닝 시스템을 사용하여 cAMP 응답 맵을 만드는 혁신적인 접근 방식은 다양한 분야에서 광유전 단백질에 대한 연구를 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
우리의 목표는 광유전 단백질의 세포 분포를 정확하게 추적하고 특정 세포질 위치 내에서 그 기능을 평가하는 것이었습니다. 이를 위해 핵 표적 cAMP 센서와 실험실에서 개발한 광유전 단백질인 박테리아 광활성성 아데닐릴 시클라아제-나노루시퍼라제(bPAC-nLuc)와 세포를 동시 transfection했습니다. bPAC-nLuc는 445nm 광 또는 루시페라제 기판으로 자극될 때 아데노신 3',5'-고리형 일인산염(cAMP)을 생성합니다. 우리는 HC-1 세포의 세포질 전체에 걸쳐 작은 조명 반점(~1μm2)의 그리드/매트릭스 패턴을 생성할 수 있는 포인트 스캐닝 시스템에 연결된 고체 레이저 조명기를 사용했습니다. 이를 통해 핵 표적 bPAC-nLuc의 분포를 효과적으로 추적하고 포괄적인 cAMP 대응 맵을 생성할 수 있었습니다. 이 지도는 bPAC-nLuc의 세포 분포를 정확하게 나타내었으며, 광 자극에 대한 반응은 조명된 점의 단백질 양에 따라 달랐습니다. 이 혁신적인 접근 방식은 세포 광유전 단백질을 조사하는 데 사용할 수 있는 기술 툴킷을 확장하는 데 기여합니다. 높은 정밀도로 분포와 반응을 매핑할 수 있는 능력은 광범위한 잠재력을 가지고 있으며 다양한 연구 분야를 발전시킬 수 있습니다.
신경과학에 혁명을 일으킨 도구로 탄생한 광유전학은 이제 전 세계 많은 실험실과 생물학의 다양한 연구 분야에서 일상적으로 사용되는 성장하는 연구 분야이자 떠오르는 기술입니다. Beggiatoa sp.(박테리아 광활성 아데닐릴 시클라제, bPAC)의 빛에 민감한 아데닐릴 시클라아제(AC)를 나노루시퍼라제(nLuc)1,2,3에 융합하여 다재다능한 광유전 단백질인 bPAC-nLuc를 개발했습니다. 청색광으로 자극되면 bPAC은 두 번째 메신저 3',5'-고리형 아데노신 일인산염(cAMP)을 생성합니다. nLuc는 최근에 개발된 작은 루시페라아제로, 기질 중 하나가 있는 상태에서 생물 발광을 생성하고 cAMP 생산을 활성화할 수 있습니다4. 따라서 이 광유전 단백질은 짧은 광 펄스를 사용하여 일시적으로 활성화하거나 Furimazine 또는 기타 루시페라제 기질을 통해 꾸준히 활성화될 수 있으므로 다양한 cAMP 신호 패턴을 모방하고 세포 반응(전사 인자 활성화, 유전자 발현, 세포 증식, 이동 등)을 평가할 수 있습니다. 최근 2차 메신저 신호전달의 발전은 매우 제한된 세포질 영역(예: cAMP 반응 CREB(element-binding protein) 인산화를 위한 엔도솜 cAMP 생산 또는 핵으로의 NFAT(nuclear factor of activated T-cells) 전좌를 위한 Ca2+ 마이크로도메인)에서 발생하는 이벤트의 중요성을 강조했습니다5,6. 따라서 살아있는 세포에서 이러한 구획의 신호를 평가, 모방 및 차단하기 위한 일관되고 체계적인 전략을 개발하는 것이 중요합니다. bPAC-nLuc가 다른 세포 구획에서 특이적으로 활성화되는 능력을 보여주기 위해 간종 유래 세포주(HC-1)를 핵 표적 bPAC-nLuc 및 H208, Förster 공명 에너지 전달(FRET) cAMP 센서(NLS-bPAC-nLuc)와 함께 형질 주입했습니다. NLS-H208)을 참조하십시오. HTC 라인에서 파생된 HC-1 세포는 분석 가능한 AC 활성이 없어 기초 cAMP 수준이 매우 낮으므로 FRET 센서의 전체 동적 범위를 활용하면서 추정 cAMP 생성을 측정하는 데 이상적입니다7,8. 포인트 스캐닝 시스템(UGA-42 Geo, Rapp OptoElectronic)에 연결된 고체 레이저(445nm, LDI-7, 89 North)를 사용하여 개별 세포 내의 매우 작은 원형 영역 또는 반점(~1μm2)을 체계적으로 자극하는 프로토콜을 설명합니다. 포인트 스캐닝 시스템은 2층 현미경의 백포트 중 하나에 연결되어 독립적인 광 경로를 통해 세포를 자극하고 FRET 측정을 동시에 수행할 수 있었습니다. 우리는 Rapp OptoElectronic의 자극 시스템과 함께 제공되는 SysCon Geo 소프트웨어를 사용하여 세포의 세포질을 포괄적으로 스캔하는 이 프로토콜의 방법을 제시합니다. 이 접근 방식에는 그리드 패턴(그림 1)에서 세포를 자극하는 일련의 조명을 설정하여 cAMP 응답 맵을 생성하는 것이 포함됩니다.
1. HC-1 세포 배양 및 이미징 준비
2. 광 시뮬레이션 및 라이브 셀 이미징
3. 데이터 분석
그림 1은 세포핵으로 향하는 자극만이 측정 가능한 cAMP 상승을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 이는 NLS-bPAC-nLuc가 HC-1 세포의 핵 구획에서만 독점적으로 발현된다는 것을 확인합니다. 이 그리드/매트릭스 패턴을 사용하여 광유전 단백질을 정확하게 자극하여 세포 내 분포를 매핑할 수 있습니다. 또한, 핵 중심을 향한 더 높은 cAMP 고도는 핵 주변에 배치된 것과 비교하여 중심 지점에 의해 시뮬레이션된 bPAC-nLuc의 질량이 더 높다는 것을 반영합니다(그림 1).

그림 1: 그리드 자극 프로토콜 및 cAMP 응답 맵. NLS-H208(cAMP 센서) 및 NLS-bPAC-nLuc로 transfection된 HC-1 세포에서 순차적인 청색광 자극(445nm, 펄스 간 30초 간격, 펄스 트레인: 50ms, 500ms 총 지속 시간, 10Hz, 7% 레이저 출력). 왼쪽 패널에는 H208의 황색 형광 단백질(YFP) 형광이 표시되며, 이는 단일 이미지에 표현된 sCMOS 카메라에서 캡처한 실제 광 펄스와 중첩되었습니다. 오른쪽의 트레이스는 각 자극 지점에서 NLS-bPAC-nLuc 자극에 의해 트리거된 일시적인 cAMP 증가를 보여줍니다. background-subtracted NLS-H208 형광은 전체 핵을 포함하는 단일 ROI를 사용하여 측정하고 정규화된 비율(R/R0)을 계산했습니다. 바깥쪽 영역(행 1 및 7, 열 A 및 G)의 응답은 음성이었으며 표시되지 않았습니다. 막대 = 3 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 연구의 목적은 광유전학적 단백질의 세포내 분포를 정확하게 모니터링하고 특정 세포질 구획 내에서 그 성능을 평가하는 것이었습니다. 우리는 또한 광유전학적 단백질을 발현하는 세포에 대한 포인트 스캐닝 시스템의 정확한 자극 기능을 보여주었습니다. 이를 달성하기 위해 우리는 발현 수준은 높지만 핵에 국한된 분포가 매우 제한된 핵 표적 bPAC-nLuc를 사용했습니다. 결과는 광유전학적 단백질의 세포 분포에 따라 ~1μm만 분리된 자극 지점이 cAMP 생산을 유발할 수 있거나 유발하지 않을 수 있음을 보여주었습니다. 핵에 대한 자극만이 cAMP 수준을 높일 수 있었습니다. 이 프로토콜에서 목표는 국부적인 cAMP 상승을 생성하는 것이 아니라 짧은 빛 자극이 주변 단백질을 자극하지 않고 세포의 매우 제한된 영역에서 광유전학적 단백질을 활성화할 수 있을 만큼 충분히 정확할 수 있음을 보여주는 것이었습니다. 그러나 이 접근법은 확산 분포 및/또는 국소적인 cAMP 상승 생성을 갖는 다른 광유전학적 단백질의 연구에 필요한 제어를 구성합니다. 이는 광유전학적 단백질의 발현 수준, 자극의 강도 및 빈도 등을 변화시켜 달성할 수 있습니다. 이러한 국부적인 신호를 정확하게 측정하려면 획득 매개변수와 센서 특성을 신중하게 고려하는 것이 중요합니다. 여기에는 적절한 ROI 위치 및 크기 선택, 획득 주파수 결정, 최적의 친화력, 강도, 동적 범위 및 해리 상수를 갖춘 FRET/강도 센서 선택이 포함됩니다.
최근에 발표된 논문에서 우리는 유사한 전략을 사용하여 핵 표적 bPAC-nLuc의 분포와 갑상선 유래세포주에서 cAMP 상승을 폐지하기 위한 변형된 포스포디에스테라제(PDE; ΔRI-PDE8)의 능력을 기능적으로 입증했습니다 9. 이 기사에서는 격자 대신 직선을 따라 세포 자극을 수행했으며, 조명 스폿은 체계적인 패턴이 아닌 세포 랜드마크(예: 핵 중심, 핵 가장자리 등)를 기준으로 배치되었습니다. 놀랍게도 핵 가장자리를 향한 자극조차도 검출 가능한 cAMP 반응을 유발하기에는 충분하지 않았습니다. 우리는 이것이 아마도 NLS-bPAC-nLuc9의 불충분한 질량을 자극했기 때문일 것이라고 추론했습니다. 그러나, 본 프로토콜에서, 핵 가장자리 부근으로 향하는 일부 자극은 검출 가능한 cAMP 증가를 유도했다. 이러한 불일치는 bPAC-nLuc의 발현 수준, 자극의 특성, 핵의 형태, 내인성 PDE, 완충 단백질의 존재 등을 포함한 다양한 요인에 기인할 수 있습니다.
다른 표적 또는 비표적 광유전학적 단백질은 더 확산된 분포를 나타낼 수 있지만, 이 체계적인 접근 방식은 실험을 신중하게 설정하고 데이터를 분석하여 의미 있는 결론을 도출하는 데 도움이 됩니다. 또한, 이 접근법은 특수한 세포 구조(예: 라멜리포디아, 수상돌기, 일차 섬모 등)를 표적으로 삼을 수 있게 하여 이러한 구조 및/또는 세포체의 원위 및 근위 영역에서 반응 간의 비교를 용이하게 합니다.
이 전략은 단백질 키나아제 A(PKA) 또는 cAMP에 의해 직접 활성화되는 교환 단백질(EPAC1)과 같은 cAMP 경로의 다운스트림 요소의 활성화를 평가하는 데에도 사용할 수 있습니다. 또한, bPAC-nLuc는 단백질 또는 기타 요인과의 국소적 상호 작용에 의해 영향을 받을 수 있는 내인성 AC와 동일한 조절제에 의해 영향을 받지 않기 때문에 동일한 수준의 발현이 주어지면 동일한 양의 cAMP를 일관되게 생성하는 것으로 가정할 수 있습니다. 일시적인 상승 후 cAMP 상승의 감소 또는 cAMP 수준의 감소를 조사함으로써 이 접근법을 통해 cAMP 분해, 확산 또는 내인성 또는 형질감염된 PDE의 기능 및 분포를 평가할 수 있습니다. 이 전략은 다양한 세포 위치에서 광유전학적 단백질의 거동을 평가하는 데 특히 유용하며, 세포질 내에 자극 지점을 임의로 배치하는 편향을 피하는 데 도움이 됩니다.
자극 지점의 크기와 에너지는 궁극적으로 사용된 설정의 특정 특성(광 경로, 대물렌즈, 스캐닝 시스템 등)에 따라 달라진다는 점을 고려하는 것이 중요합니다. 정확한 결과를 보장하려면 각 특정 시스템에서 각 실험을 수행할 때 광유전학적 단백질의 상대적 발현, 사용된 파장에 대한 세포의 민감도 및 기타 매개변수를 고려해야 합니다. 더 작은 세포 구조를 더 정밀하게 체계적으로 평가하기 위해 더 작은 자극 지점 및/또는 더 조밀한 그리드(즉, 더 작은 간격의 자극 지점)를 구현하는 데 있어 시스템을 구동할 수 있는 전체 범위를 연구하지 않았다는 점에 유의하는 것도 중요합니다. 또한 UGA-42 Geo 포인트 스캐닝 시스템만을 사용하여 이 전략을 테스트했습니다. 이 접근 방식은 균일한 간격의 국부적인 지점을 재현 가능하게 생성할 수 있는 경우 다양한 시스템을 사용하여 가능할 수 있습니다. 유사한 결과를 얻으려면 각 시스템을 최적화해야 합니다.
마지막으로, 자극 시스템에 의한 FRET 센서의 잠재적 자극을 신중하게 평가해야 합니다. 예를 들어, 청록색 형광 단백질(CFP)은 이 프로토콜에 사용되는 445nm 레이저에 의해 확실히 자극되거나 심지어 표백될 것입니다. 더 높은 레이저 효능(또는 더 높은 투과율 중성 밀도(ND) 필터)을 사용하면 형광 센서를 자극하고 실험에 잘못된 정보가 도입되거나 데이터 분석에 문제가 발생할 가능성이 높아집니다. FRET/강도 측정 센서의 정상적인 광표백도 신중하게 평가해야 합니다. 마지막으로, bPAC는 주변광에 민감하고 어두운 조건에서도 cAMP를 생성할 수 있기 때문에(bPAC의 암흑 활성은 단백질3의 33 ± 5 pmol/min/mg으로 측정됨) 빛 오염을 피하기 위해 bPAC-nLUC를 형질감염한 후 세포를 조심스럽게 조작해야 합니다(예: 인큐베이터에서, 실험 전 및/또는 실험 중 등). 선택적으로, 세포는 PDE 억제제 (예를 들어, 3-이소부틸-1-메틸크산틴; IBMX10)을 사용하여 bPAC-nLuc의 기본 활성을 결정하고 사용된 조명 조건이 적절하게 어둡지 확인합니다.
저자는 경쟁 이해관계가 없음을 선언합니다.
자금은 미국 국립보건원(NIH)의 R01 GM099775 및 D.L.A.에 대한 GM130612 보조금으로 제공되었습니다.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 13 W 앰버 컴팩트 형광 전구 - 로우 블루 라이트 | 포토닉 개발 | ||
| 3-이소부틸-1-메틸크산틴 (IBMX) | 시그마 | I7018 | |
| 6-라인 멀티 LED 루멘코 스펙트라 X | 루멘코 | 6라인 멀티 LED 조명 엔진 | |
| 코닝 - DMEM | Thermo Fischer | MT10013CMEA | |
| Corning - 일반 태아 소 세럼 | Thermo Fischer | MT35011CV | |
| 커버 안경: 원형 | Thermo Fischer | 12545102P | |
| GBX-2 진한 빨간색 safelight 필터 5.5" | Kodak | 1416827 | 레드 세이프라이트 램프 |
| Hanks의 균형 잡힌 소금 용액 (HBSS) 10x | Thermo Fischer | 14185052 | 1x로 희석, pH |
| 조정 LDI-7 | 89 North | ||
| L-Glutamine | Thermo Fischer | BW17605E | |
| Lipofectamine 3000 | Thermo Fischer | L3000001 | 트랜스펙션 키트 |
| 올림푸스 IX83 전동 2층 서랍 현미경 | Olympus | 전동 2층 현미경 | |
| Opti-MEM, 페놀 레드 | 없음 Thermo Fischer | 11058021 | |
| ORCA-fusion 디지털 CMOS 카메라 | 하마마츠 | C14440-20UP | |
| 페니실린-스트렙토마이신(10,000 U/mL) | Thermo Fischer | 15140122 | |
| 인산염 완충 용액(1x) | Lonza | 17516F | |
| Prior emission 필터 휠 및 필터 세트 | Prior Scientific, Inc. | 방출 필터 휠 | |
| 이전 프로스캔 XY 스테이지 | Prior Scientific, Inc. | XY 스테이지 | |
| 슬라이드북 6 | Intelligent Imaging Innovations | 디지털 현미경 소프트웨어 | |
| SysCon 소프트웨어 | SysCon 소프트웨어 | 자극 시스템이 제공하는 소프트웨어 | |
| 우가-42 지리 | Rapp OptoElectronic | ||
| UPlanSApo 100x | Olympus | 100x/1.4 NA 오일 목표물 (∞/0.17/FN26.5) | |
| ZT458rdc 이색성 | Chroma Technology Corp | BS, 파장 (CWL): 498 nm의 |
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