$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Sygnalizacja reaktywnych form tlenu (ROS) reguluje rozwój i funkcjonowanie układu nerwowego1. Ważnym źródłem komórkowym ROS są oksydazy NADPH (NOX), które są białkami transbłonowymi wytwarzającymi ponadtlenek i nadtlenek wodoru (H2O2)<sup class="xref">2. Enzymy NOX znajdują się w całym ośrodkowym układzie nerwowym (OUN), a ROS pochodzące z NOX przyczyniają się do rozwoju neuronów3,4,5,6. Wykazano, że utrzymanie i różnicowanie nerwowych komórek macierzystych, ustalanie polaryzacji neuronów, wzrost neurytów i plastyczność synaptyczna wymagają odpowiedniego poziomu ROS7,8,9,10,11. Z drugiej strony, niekontrolowana produkcja ROS przez NOX przyczynia się do zaburzeń neurodegeneracyjnych, w tym choroby Alzheimera, stwardnienia rozsianego i urazowego uszkodzenia mózgu12,13,14. W związku z tym produkcja fizjologicznie istotnych ROS ma kluczowe znaczenie dla utrzymania zdrowych warunków.
Rozwój genetycznie kodowanych biosensorów znacznie ułatwił wykrywanie komórkowych ROS. Jedną z ważnych zalet genetycznie kodowanych biosensorów jest zwiększona rozdzielczość czasowa i przestrzenna sygnału ROS, ponieważ czujniki te mogą być specjalnie ukierunkowane na różne lokalizacje. Wrażliwy na redoks GFP (roGFP) jest jednym z rodzajów takich bioczujników ROS. Wariant roGFP2-Orp1 specyficznie wykrywaH2O2 poprzez swoją domenę Orp1, która jest białkiem z rodziny peroksyredoksyn glutationu z drożdży15,16. Utlenianie białka Orp1 jest przenoszone do roGFP2 w celu zmiany jego konformacji (Rysunek 1A). Sonda wykazuje dwa piki wzbudzenia w pobliżu 405 nm i 480 nm oraz pojedynczy pik emisji przy 515 nm. Po utlenieniu zmienia się intensywność fluorescencji wokół pików wzbudzenia: podczas gdy wzbudzenie 405 nm wzrasta, wzbudzenie 480 nm maleje. Tak więc roGFP2-Orp1 jest biosensorem ratiometrycznym, a poziomyH2O2 są wykrywane przez stosunek intensywności fluorescencji wzbudzonych na dwóch różnych długościach fal (Rysunek 1B). Ogólnie rzecz biorąc, roGFP2-Orp1 jest wszechstronnym narzędziem do obrazowania ROS, które może być efektywnie wykorzystywane in vivo.

Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie i widma wzbudzenia roGFP2-Orp1. (A) Transfer utleniacza zachodzi między Orp1 i roGFP2 w odpowiedzi na H2O2, prowadząc do zmian konformacyjnych w roGFP2. (B) Widma wzbudzenia roGFP2-Orp1 wykazują dwa piki wzbudzenia przy 405 nm i 480 nm oraz pojedynczy pik emisyjny przy 515 nm. Po utlenieniu przezH2O2 wzbudzenie 405 nm wzrasta, podczas gdy wzbudzenie 480 nm maleje. W ten sposób uzyskuje się ratiometryczny odczyt obecnościH2O2. Rysunek został zmodyfikowany na podstawie Bilan and Belousov (2017)16 i Morgan et al. (2011)25. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
System modelu danio pręgowanego ma kilka zalet w stosowaniu genetycznie kodowanych biosensorów. Przezroczystość optyczna zarodków i larw umożliwia nieinwazyjne obrazowanie in vivo. Opracowywane są nowe narzędzia do obrazowania, aby osiągnąć wyższą rozdzielczość i głębszą penetrację17. Ponadto istnieją uznane narzędzia do manipulacji genetycznej (ektopowa ekspresja mRNA, transgeneza Tol2 itp.) oraz edycji genomu (TALENs, CRISPR/Cas9 itp.), które promują tworzenie transgenicznych zwierząt18. Ponieważ zarodki danio pręgowanego rozwijają się poza matką, system ten umożliwia jeszcze łatwiejszy dostęp do zarodków i manipulację nimi. Na przykład można łatwo wykonać zastrzyki jednokomórkowe i leczenie farmakologiczne.
Tutaj użyliśmy danio pręgowanego do przejściowej ekspresji biosensora H2O2 roGFP2-Orp1 poprzez wstrzyknięcie mRNA transkrybowanego in vitro. Zarodki te mogą być wykorzystywane zarówno do obrazowania in vitro hodowanych neuronów, jak i do obrazowania in vivo (Ryc. 2). Opisujemy protokół preparowania i siatkowania komórek zwojowych siatkówki (RGC) z zarodków danio pręgowanego, a następnie oceny poziomówH2O2w hodowanych neuronach. Następnie przedstawiono metodę obrazowania in vivo zarodków i larw wykazujących ekspresję roGFP2-Orp1 za pomocą mikroskopii konfokalnej. Takie podejście pozwala nie tylko na określenie fizjologicznych poziomówH2O2, ale także potencjalnych zmian zachodzących w różnych etapach rozwoju lub warunkach. Ogólnie rzecz biorąc, system ten zapewnia niezawodną metodę wykrywaniaH2O2w żywych komórkach i zwierzętach w celu zbadania roliH2O2w rozwoju, zdrowiu i chorobie.

Rysunek 2. Zarys podejścia eksperymentalnego. Krótko, po pobraniu zarodka, mRNA roGFP2-Orp1 jest wstrzykiwane do żółtka jednokomórkowych zarodków danio pręgowanego. Rozwijające się zarodki mogą być wykorzystywane zarówno do (A) obrazowania in vitro, jak i (B) in vivo. (A) Zarodki GFP-dodatnie wykorzystuje się do preparowania siatkówki w celu pobrania RGC w temperaturze 34 hpf. Zdysocjowane RGC są powlekane na szkiełkach nakrywkowych pokrytych PDL/lamininą w mediach ZFCM (+). Obrazowanie stożków wzrostu można przeprowadzić, ponieważ RGC wydłużają swoje aksony po 6-24 godzinach posiewu. Komórki można poddawać różnym zabiegom w celu zmierzenia potencjalnych zmian w poziomachH2O2. Tutaj zmierzyliśmy poziomyH2O2-poziomyw stożkach wzrostu RGC (czerwony). (B) Zarodki z dodatnim wynikiem GFP wykorzystuje się do obrazowania in vivo. W pożądanym wieku zarodki mogą być znieczulane i umieszczane na naczyniach ze szklanym dnem o średnicy 35 mm w celu obrazowania konfokalnego. W tym przypadku zarodki są montowane brzusznie w celu obrazowania siatkówki. Schemat przedstawia rozwój siatkówki u danio pręgowanego. RGC tworzą warstwę komórek zwojowych (GCL), która jest najbardziej wewnętrzną warstwą siatkówki. Aksony RGC rozwijają się w nerw wzrokowy, który przekracza linię środkową, tworząc skrzyżowanie wzrokowe. Następnie aksony RGC rosną grzbietowo, tworząc synapsy w tektum wzrokowym w śródmózgowiu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.