표적화 된 Ca를 이용한 ER / SR 칼슘 방출 모니터링<sup> 2+</sup> 센서 캐쳐<sup> +</sup
Summary
우리는 실시간 형광 현미경을 사용하여 HEK293 및 골격근 C2C12 세포의 소포체 / sarcoplasmic reticulum (ER / SR)에서 빠른 칼슘 과도 현상을 모니터링하기위한 우리의 표적 유전자 코딩 칼슘 지시약 (GECI) CatchER +의 적용 을위한 프로토콜을 제시합니다. 현장 K d 측정 및 교정을위한 프로토콜도 논의됩니다.
Abstract
세포 외 자극에 의해 유발 된 세포 내 칼슘 (Ca 2+ ) 과도 현상은 살아있는 유기체에서 수많은 생물학적 과정을 일으킨다. 세포 내 칼슘 방출의 중심에는 주요 세포 내 칼슘 저장 소기관, 소포체 (endoplasmic reticulum, ER) 및 근육 세포에서보다 특이적인 소구엽 (sarcoplasmic reticulum, SR)이있다. 이러한 세포 소기관에서 칼슘의 동적 방출은 raranodine 수용체 (RyR)와 이노시톨 1,4,5- 트리 포스페이트 수용체 (IP 3 R)에 의해 매개되며, sarco / endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) 펌프를 통해 재충전이 일어납니다. ER / SR에서 급속한 칼슘 방출을 모니터링하기 위해 유 전적으로 코딩 된 칼슘 센서 (GECI) 인 CatchER를 만들었습니다. 여기에서 HEK293 및 C2C12 세포에서 개선 된 ER / SR 표적 GECI CatchER + 의 형질 감염 및 발현에 대한 상세한 프로토콜 및 IP 3 R, RyR 및 SERCA 펌프 매개 형 과도 단백질의 모니터링에 대한 적용s가 형광 현미경을 사용하여 HEK293 세포에서 설명됩니다. 수용체 작용제 또는 선택 억제제를 챔버 용액에 분산시키고 강도 변화를 실시간으로 기록한다. 이 방법으로 ER 칼슘의 감소는 4- 클로로 -m- 크레졸 (4-cmc)에 의한 RyR 활성화, 아데노신 트리 포스페이트 (ATP)에 의한 IP 3 R의 간접적 활성화, 사이클로 피아 조 닉성을 지닌 SERCA 펌프의 억제 산 (CPA). 우리는 또한 in situ K d 를 결정하고 C2C12 세포에서 기저 [Ca 2+ ]를 정량화하기위한 프로토콜을 논의한다. 요약하면, CatchER + 와 함께 사용되는이 프로토콜은 ER / SR 칼슘 관련 병리학을 연구 할 때 ER에서 수용체 매개 칼슘 방출을 유도 할 수 있습니다.
Introduction
세포 내 칼슘 (Ca 2+ ) 과도의 시공간적 특성은 다양한 생물학적 기능을 활성화시킨다 1 . 이러한 Ca 2+ 신호 전달 사건은 다른 자극을 통해 세포 외적으로 유발되어 주요 Ca 2+ 저장 기관과 수많은 Ca 2+ 펌프, 채널 및 Ca 2+ 결합 단백질에 의해 세포 내로 조절됩니다. Ca 2+ 과도 현상은 신호 변조로 인한 결함으로 인해 크게 달라질 수있어 다른 질병을 유발할 수 있습니다 2 . Ca 2+ 시그널링 시스템의 속도와 복잡성 때문에, 중심에서 endo- (ER)와 sarcoplasmic reticulum (SR)을 이용하여 빠른 속도론으로 포유류 발현을 위해 최적화 된 유 전적으로 암호화 된 Ca 2+ 프로브가 필요합니다 다른 세포에서 전지구 및 국부적 인 Ca 2+ 변화를 관찰 3 .
ER과 SR, 근육 세포의 대응, 주요 세포 내 칼슘 2 + 저장 organelles 있으며 칼슘 2 + 싱크대 역할을 칼슘 2 + 신호 4 증폭하는 데 도움이됩니다. ER / SR은 신호의 송수신기 역할을하는 Ca 2+ 시그널링에서 필수적인 부분입니다. 리아 노딘 수용체 (RyR)와 이노시톨 1,4,5- 트리 포스페이트 수용체 (IP 3 R)는 Ca 2+ 6 에 의해 조절되는 ER / SR 막에 위치한 Ca 2+ 방출 수용체이다. 다른 약제는 이러한 수용체의 기능을 직접 또는 간접적으로 자극합니다. 4- 클로로 -m- 크레졸 (4-cmc)은 RyR의 강력한 효능 제이며, SRCa2 방출을 유도하기 위해 카페인보다 10 배 더 높은 감도를 가지며,이 둘 모두 RyR- 중재 된 Ca2 + 방출을 연구하는데 규칙적으로 사용된다 건강하고 병든 세포 7 . ATP는 IP 3 중재 된 칼슘 2+를 증가시킵니다.IP 3 R 8 을 통해 임대하십시오. ATP는 purinergic receptor P2YR, G-protein coupled receptor (GPCR)와 결합하여 IP 3 R에 결합하여 ER 3 , 10 으로부터 Ca 2+ 를 유리시키는 IP 3 의 생산을 촉발한다. sarco-endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) 펌프는 세포 내 Ca 2+ 를 감소시키고 ER / SR 루멘으로 이온을 능동적으로 펌핑하여 ER / SR을 재충전하는 ER / SR 막에 위치한 P 형 ATPase 펌프입니다 11 . SERCA 펌프의 특이적인 억제제는 아스 페르 길 루스 (Aspergillus ) 및 페니실린 (Penicillium)으로부터의 Thapsigargin , Thapsia garganica 및 CPA (cyclopiazonic acid)를 포함 한다. CPA는 펌프에 대한 친 화성이 낮고 Ca 2+ 액세스 포인트 12를 가역적으로 차단합니다. 다른 한편, aps시 가르 긴은 M3 헬릭스에서 나노 몰과 함께 F256 잔기의 칼슘 2+ 프리 펌프에 돌이킬 수 없게 결합한다ar 친화 도 11 . Ca 2+ 자극 사건과 관련된 변화를 분석하고 정량화하는 것은 여전히 도전 과제입니다. ER / SR은 Ca 2+ 신호의 전파에 중요한 역할을하는 주요한 세포 내 Ca 2+ 함유 구획이기 때문에 많은 연구가 ER / SR Ca 2+ 신호 전달 5 에 초점을 맞추고 있습니다.
합성 Ca 2+ 염료의 생성은 칼슘 2 + 영상의 현장 및 실습을 발전시키는 데 도움이되었습니다. Mag-Fura-2와 같은 염료가 다른 세포에서 구획화 된 Ca 2+ 를 측정하는 데 널리 사용되었지만 13,14,15 염색 불균일 로딩, 광 표백 및 특정 세포 소기관을 타깃으로 할 수없는 것과 같은 한계가 있습니다 . 녹색 형광 단백질 (GFP)의 발견과 형광 단백질 -기반의 칼슘 2 + 프로브는 칼슘 2 + 전진 16 의 분야를 추진하고 있습니다. 기존 GECI의 일부는 황색 형광 단백질 (YFP), 시안 형광 단백질 (CFP), 칼 모듈 린 및 M13 결합 펩타이드 17 , 18을 포함 하는 포스터 공명 에너지 전달 (FRET) 쌍입니다. 트로포 닌 C 기반 GECI는 CFP와 Citrine의 FRET 쌍과 단일 형광 단 프로브 19 , 20 , 21로 사용할 수 있습니다. GCaMP2와 R-GECO와 같은 다른 것들은 calmodulin과 관련된 단 하나의 형광 단 센서이다 22 , 23 . Ca 2+ 결합 도메인 24 에서 발견되는 여러 Ca 2+ 결합 부위와 관련된 K d 와 협동 결합의 좁은 튜닝의 한계를 극복하기 위해 새로운 종류의 칼슘 원sors는 향상된 녹색 형광 단백질 (EGFP) 25 , 26 의 발색단 민감한 위치에서 베타 배럴의 표면에 칼슘 2 + 바인딩 사이트를 설계하여 만들어졌습니다. CatchER라고 불리는이 고도의 센서는 ~ 0.18 mM의 Kd, 확산 한계 근처의 아크 및 700 s -1 의 아크 오프 를 가지고 있습니다. CatchER는 HeLa, HEK293 및 C2C12와 같은 다른 포유류 세포주에서 수용체 매개 ER / SR 칼슘 방출을 모니터링하는 데 사용되었습니다. 그것의 빠른 동력학 때문에, CatchER는 FDB에서 탈분극 2 초 후에 더 많은 칼슘 2+ 가 SR에 남아 있음을 밝히기 위해 젊고 오래된 Friend Virus B NIH Jackson (FVB) 생쥐의 flexor digitorum brevis (FDB) 근육 섬유에 사용되었습니다. 젊은 쥐의 섬유와 비교 한 늙은 쥐의 섬유 27 . 포유 동물의 칼슘 이미징에서 그 적용을 방해하는 37 ° C에서 낮은 형광을 극복하기 위해우리는 CatchER + 라는 CatchER의 개선 된 버전을 개발했습니다. CatchER + 는 포유류 세포에서 더 잘 응용되기 위해 37 ℃에서 향상된 형광성을 나타냅니다. 추가적인 돌연변이가 CatchER에 통합되어 37 ° C 28 , 29 ° C에서 열 안정성과 형광성을 향상시켜 CatchER + 를 만들 수 있습니다. CatchER + 는 CatchER 30 보다 신호 대 잡음비 (SNR)가 6 배 증가합니다.
여기에서 CatchER + 를 이용한 HEK293 및 C2C12 세포의 배양 및 형질 감염에 대한 프로토콜과 ER / SR 수용체 매개 형 과도 현상을 모니터링하는 방법이 제시됩니다. 대표적인 결과는 4-cmc, CPA 및 ATP로 처리 된 HEK293 세포에서 발현 된 CatchER + 에 대해 나타내었다. 우리는 또한 C2C12 myoblast 세포와 qua에서 CatchER + 의 in situ Kd를 결정하기위한 프로토콜을 제공한다기초 [Ca 2+ ]의 함량.
Protocol
Representative Results
Discussion
CatchER + 와 같은 형광 프로브의 라이브 싱글 셀 이미징은 수용체 아고 니스트 또는 길항제에 대한 반응으로 각 세포에서 복잡한 ER / SR Ca 2+ 신호 전달 프로세스를 분석하는 효과적인 기술입니다. 이 기술은 Fura-2에 필요하거나 CatchER + 와 Rhod-2를 함께 사용하여 ER과 cytosolic calcium change를 동시에 모니터링하는 것과 같이 동시에 여러 파장을 사용하여 이미징하는 데 유용합니다…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NIH GM62999, NIH EB007268, NIH AG15820, B & B Seed Grant 및 NIH Supplemental Grant, FR, BB Fellowship to CM, RG CDT Fellowship에서 지원되었습니다.
Materials
| 4-Chloro-3-methylphenol (4-CmC) | Sigma-Aldrich | C55402 |
| 515DCXR dichroic mirror | Chroma Technology Corp. | NC338059 |
| Adenosine 5′-triphosphate disodium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A26209 |
| Calcium chloride dihydrate | EMD Millipore | 102382 |
| Corning tissue-culture treated culture dishes (100 mm) | Sigma-Aldrich | CLS430167 |
| Corning tissue-culture treated culture dishes (60 mm) | Sigma-Aldrich | CLS430166 |
| Cyclopiazonic Acid (CPA) | EMD Millipore | 239805 |
| D(+)-Glucose | ACROS Organics | 41095-0010 |
| Dow Corning 111 Valve Lubricant & Sealant | Warner Instruments | 64-0275 |
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D7777 |
| Ethylenebis(oxyethylenenitrilo) tetraacetic Acid (EGTA) |
ACROS Organics | 409911000 |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | ThermoFisher | 26140087 |
| Fisherbrand Cover Glasses 22×40 mm | Fisher Scientific | 12-544B |
| Hanks’ Balanced Salts (HBSS) | Sigma-Aldrich | H4891 |
| HEPES, Free Acid, Molecular Biology Grade | EMD Millipore | 391340 |
| Immersion Oil without autofluorescence | Leica | 11513859 |
| Ionomycin, Free Acid | Fisher Scientific | 50-230-5804 |
| Leica DM6100B inverted microscope with a cooled EM-CCD camera | Hamamatsu | C9100-13 |
| Lipofectamine 2000 Transfection Reagent | ThermoFisher | 11668019 |
| Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | ThermoFisher | L3000015 |
| Low Profile Open Diamond Bath Imaging Chamber | Warner Instruments | RC-26GLP |
| Magnesium Chloride Hexahydrate | Fisher Scientific | M33-500 |
| Opti-MEM | ThermoFisher | 51985034 |
| Potassium Chloride | EMD Millipore | PX1405 |
| Potassium Phosphate, Dibasic | EMD Millipore | PX1570 |
| Potassium Phosphate, Monobasic | EMD Millipore | PX1565 |
| Saponin | Sigma-Aldrich | 47036 |
| SimplePCI Image Analysis Software | Hamamatsu | N/A |
| Sodium Bicarbonate | Fisher Scientific | S233-3 |
| Sodium Chloride | Fisher Scientific | S271-500 |
| Sterivex-GV 0.22 µm filter | EMD Millipore | SVGVB1010 |
| Till Polychrome V Xenon lamp | Till Photonics | N/A |
| Trypsin (2.5%), no phenol red (10X) | ThermoFisher | 15090046 |
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