Optische Kontrolle eines Neuronal Protein eine genetisch kodierter unnatürliche Aminosäure in Neurons Verwendung
Summary
Here, a procedure to selectively activate a neuronal protein with a short pulse of light by genetically encoding a photo-reactive unnatural amino acid into a target neuronal protein expressed in neurons in culture or in vivo is presented.
Abstract
Photostimulation is a noninvasive way to control biological events with excellent spatial and temporal resolution. New methods are desired to photo-regulate endogenous proteins expressed in their native environment. Here, we present an approach to optically control the function of a neuronal protein directly in neurons using a genetically encoded unnatural amino acid (Uaa). By using an orthogonal tRNA/aminoacyl-tRNA synthetase pair to suppress the amber codon, a photo-reactive Uaa 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl-cysteine (Cmn) is site-specifically incorporated in the pore of a neuronal protein Kir2.1, an inwardly rectifying potassium channel. The bulky Cmn physically blocks the channel pore, rendering Kir2.1 non-conducting. Light illumination instantaneously converts Cmn into a smaller natural amino acid Cys, activating Kir2.1 channel function. We express these photo-inducible inwardly rectifying potassium (PIRK) channels in rat hippocampal primary neurons, and demonstrate that light-activation of PIRK ceases the neuronal firing due to the outflux of K+ current through the activated Kir2.1 channels. Using in utero electroporation, we also express PIRK in the embryonic mouse neocortex in vivo, showing the light-activation of PIRK in neocortical neurons. Genetically encoding Uaa imposes no restrictions on target protein type or cellular location, and a family of photoreactive Uaas is available for modulating different natural amino acid residues. This technique thus has the potential to be generally applied to many neuronal proteins to achieve optical regulation of different processes in brains. The current protocol presents an accessible procedure for intricate Uaa incorporation in neurons in vitro and in vivo to achieve photo control of neuronal protein activity on the molecular level.
Introduction
Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Stimulation bietet Photo größere zeitliche und räumliche Auflösung bei minimaler Störung des physiologischen Systems von Proben. Seit der Demonstration Laser mit Neuronen im Jahr 1971 1, viele kreative Möglichkeiten zu stimulieren erfunden worden exogen mit Licht neuronale Aktivität zu kontrollieren. Optische Freisetzung von photoaktivierbaren Agonisten ist seit langem verwendet worden , um Liganden 2,3,4 physiologische Antwort des neuronalen Netzes zu untersuchen. Diese Technik hat Spezifität begrenzt durch Diffusion von caged-Agonisten. Genetische Spezifität wird durch ektopisch exprimieren , lichtempfindliche Opsin Kanäle erreicht und Pumpen 5,6,7, und es wurde erfolgreich zu modulieren ausgewählte neuronale Netzwerke in verschiedenen Modellorganismen eingesetzt. Allerdings würde es schwierig sein, diese Methode anzuwenden, optisch auf verschiedene andere neuronale Proteine steuern, da Photoreaktivität von den Opsin Proteinen an andere Proteine Pfropfung would intensiv Engineering erfordern, die die natürlichen Eigenschaften des Proteins untersuchten verändern können. Chemisch Anbindehaltung ein exogener lichtempfindlichen Ligand an ein Protein einen anderen Weg , um die Funktionalität von Kanalproteinen 8,9,10 zu steuern unter Beweis gestellt hat. Der Ligand wird präsentiert oder von der Bindungsstelle des Proteins durch die Photoisomerisierung des Azobenzoleinheit zurückgezogen. Anbinden Chemie beschränkt die Anwendung vor allem auf der extrazellulären Seite der Membranproteine, mit Ausnahme der intrazellulären Seite und intrazellulären Proteinen.
Lichtempfindliche UAAs, nachdem sie in Proteine eingebaut werden, eine allgemeine Strategie Proteine mit Licht zu manipulieren. In frühen Bemühungen, tRNAs chemisch acyliert mit photoaktivierbaren UAAs in Xenopus – Oozyten mikroinjiziert wurden 11, die UAAs in Membranrezeptoren und Ionenkanäle zu integrieren , die das Verständnis ihrer Struktur-Funktionsbeziehungen 12,13,14 vorangebracht haben.Diese Mikroinjektions Ansatz ist vor allem auf große Eizellen begrenzt. Genetische Einbau eines Uaa umgeht die technisch anspruchsvolle tRNA Acylierung und die Mikroinjektion durch eine orthogonale tRNA / Synthetase – Paar verwenden, die die Uaa durch endogene Proteintranslation in lebenden Zellen 15,16,17,18 enthält. Uaa Einbau in neuronale Proteine wurde in primären Neuronen und neuronalen Stammzellen 19,20 demonstriert. In jüngerer Zeit wurde auf Licht ansprechende Uaa genetisch in ein neuronales Protein im Gehirn von Säugetieren in vivo zum ersten Mal 21 eingebaut. Diese Fortschritte ermöglichen es, neuronale Proteine mit UAAs in ihrer nativen zellulären Umgebung zu studieren.
Einwärtsgleichrichtenden Kaliumkanal Kir2.1 ist ein starker Gleichrichter, der K + -Ströme mehr geht leicht in als aus der Zelle, und es ist wichtig bei der Regulierung der physiologischen Prozessen einschließlich Zell Erregbarkeit, Gefäßtonus, Herzfrequenz, renal Salzfluss und Insulinfreisetzung 22. Überexpression von Kir2.1 hyperpolarisiert die Membranpotential des Zielneurons, das weniger erregbar 23,24 wird. Optisch Kir2.1 in seiner nativen Zellen kontrollieren, Kang et al. Genetisch a photo-responsive Uaa in Kir2.1 inkorporiert in Säugerzellen exprimiert, Neuronen und embryonalen Maushirnen 21. Ein kurzer Lichtimpuls konnte die Uaa in einer natürlichen Aminosäure Cys, wodurch die Ziel Kir2.1-Protein aktivierenden zu konvertieren. Wenn diese fotoinduzierbaren einwärtsgleichrichtenden Kalium (PIRK) Kanalprotein in Ratten-Hippocampus primäre Neuronen exprimiert wurde, unterdrückt es neuronale Aktivität in Reaktion auf Lichtaktivierung. Außerdem wurde gemessen, die PIRK Kanal wurde in der embryonalen Maus Neocortex und das lichtaktivierte PIRK Strom in kortikalen Neuronen exprimiert. Die erfolgreiche Umsetzung der Uaa Technologie in vivo im Gehirn von Säugetieren öffnet die Tür zu optisch neuronale Proteine steuernin ihrer natürlichen Umgebung, die optische Präparation neuronaler Prozesse und Mechanismen auf molekularer Ebene ermöglichen.
In diesem Protokoll beschreiben wir Verfahren zur genetischen Einbau von UAAs in primäre Neuronen in der Kultur und in der embryonalen Gehirn der Maus in vivo. Die photoresponsive Uaa Cmn und Kir2.1 werden verwendet, um den Prozess zu veranschaulichen. Methoden erfolgreich Uaa Einbau und optische Kontrolle der neuronalen Proteinaktivität sind vorgesehen, um beurteilen zu können. Dieses Protokoll stellt eine klare Anleitung zur genetisch kodierend UAAs in Neuronen und in vivo und in optisch neuronale Proteinfunktion über eine auf Licht ansprechende Uaa regulieren. Wir erwarten , dass dieses Protokoll , um die Annahme der in vivo Uaa Technologie für Neurowissenschaften und optogenetische biologische Untersuchungen zu erleichtern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um eine effektive Photomodulations erreichen, ist der erster wichtiger Schritt, um zu entscheiden, wo das Licht ansprechende Uaa in dem Zielprotein zu integrieren. Strukturelle und funktionelle Informationen des Zielproteins ist sehr hilfreich, um die Auswahl von Kandidaten Seiten zu führen. Zugleich würde der Zweck der Lichtregulierung bestimmen, welche Seite am besten geeignet ist. Nach der Auswahl von Kandidaten – Websites, empfehlen wir die Standorte in Säugetierzelllinien wie die menschliche embryonale Nieren (H…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. S. Szobota for helpful discussion on neuron culture and Ca-P transfection. L.W. acknowledges support from The Salk Innovation Grant, the California Institute for Regenerative Medicine (RN1-00577-1), and the National Institutes of Health (1DP2OD004744).
Materials
| Cover Glasses, Circles, 12 mm, Thickness 0.13-0.17 mm | Carolina Biologicals | 633029 |
| Corning BioCoat Poly-D-Lysine | Corning Discovery Labware | 354210 |
| D-(+)-Glucose solution | Sigma-Aldrich | G8769 |
| Iris Spatula-curved | Fine Science Tool | 10092-12 |
| Dissecting Knife – Fine Angled Tip | Fine Science Tool | 10056-12 |
| GlutaMAX-I Supplement | Life Technologies | 35050-061 |
| MITO+ Serum Extender | BD Biosciences | 355006 |
| Falcon 40 µm 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 LIGHT SOURCE – Black LED 385 | Prizmatix Ltd. | |
| Agarose, Low Melting Point, Analytical Grade | Promega | V2111 |
Riferimenti
- Fork, R. L. Laser Stimulation of Nerve Cells in Aplysia. Science. 171 (3974), 907-908 (1971).
- Callaway, E. M., Katz, L. C. Photostimulation using caged glutamate reveals functional circuitry in living brain slices. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 90 (16), 7661-7665 (1993).
- Cambridge, S. B., et al. Doxycycline-dependent photoactivated gene expression in eukaryotic systems. Nat. Methods. 6 (7), 527-531 (2009).
- Yoshimura, Y., Dantzker, J. L., Callaway, E. M. Excitatory cortical neurons form fine-scale functional networks. Nature. 433 (7028), 868-873 (2005).
- Bernstein, J. G., Boyden, E. S. Optogenetic tools for analyzing the neural circuits of behavior. Trends Cogn. Sci. 15 (12), 592-600 (2011).
- Fenno, L., Yizhar, O., Deisseroth, K. The development and application of optogenetics. Annu. Rev. Neurosci. 34 (1), 389-412 (2011).
- Yizhar, O., Fenno, L. E., Davidson, T. J., Mogri, M., Deisseroth, K. Optogenetics in neural systems. Neuron. 71 (1), 9-34 (2011).
- Banghart, M., Borges, K., Isacoff, E., Trauner, D., Kramer, R. H. Light-activated ion channels for remote control of neuronal firing. Nat. Neurosci. 7 (12), 1381-1386 (2004).
- Volgraf, M., et al. Allosteric control of an ionotropic glutamate receptor with an optical switch. Nat. Chem. Biol. 2 (1), 47-52 (2006).
- Szobota, S., Isacoff, E. Y. Optical control of neuronal activity. Annu. Rev. Biophys. 39 (1), 329-348 (2010).
- England, P. M., Lester, H. A., Davidson, N., Dougherty, D. A. Site-specific, photochemical proteolysis applied to ion channels in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94 (20), 11025-11030 (1997).
- England, P. M., Lester, H. A., Dougherty, D. A. Mapping disulfide connectivity using backbone ester hydrolysis. Biochimica. 38 (43), 14409-14415 (1999).
- Philipson, K. D., Gallivan, J. P., Brandt, G. S., Dougherty, D. A., Lester, H. A. Incorporation of caged cysteine and caged tyrosine into a transmembrane segment of the nicotinic ACh receptor. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 281 (1), C195-C206 (2001).
- Tong, Y., et al. Tyrosine decaging leads to substantial membrane trafficking during modulation of an inward rectifier potassium channel. J. Gen. Physiol. 117 (2), 103-118 (2001).
- Liu, C. C., Schultz, P. G. Adding new chemistries to the genetic code. Annu. Rev. Biochem. 79 (1), 413-444 (2010).
- Wang, L., Brock, A., Herberich, B., Schultz, P. G. Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science. 292 (5516), 498-500 (2001).
- Wang, L., Xie, J., Schultz, P. G. Expanding the genetic code. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 35 (1), 225-249 (2006).
- Wang, Q., Parrish, A. R., Wang, L. Expanding the genetic code for biological studies. Chem. Biol. 16 (3), 323-336 (2009).
- Shen, B., et al. Genetically encoding unnatural amino acids in neural stem cells and optically reporting voltage-sensitive domain changes in differentiated neurons. Stem Cells. 29 (8), 1231-1240 (2011).
- Wang, W., et al. Genetically encoding unnatural amino acids for cellular and neuronal studies. Nat. Neurosci. 10 (8), 1063-1072 (2007).
- Kang, J. Y., et al. In vivo expression of a light-activatable potassium channel using unnatural amino acids. Neuron. 80 (2), 358-370 (2013).
- Bichet, D., Haass, F. A., Jan, L. Y. Merging functional studies with structures of inward-rectifier K(+) channels. Nat. Rev. Neurosci. 4 (12), 957-967 (2003).
- Burrone, J., O’Byrne, M., Murthy, V. N. Multiple forms of synaptic plasticity triggered by selective suppression of activity in individual neurons. Nature. 420 (6914), 414-418 (2002).
- Johns, D. C., Marx, R., Mains, R. E., O’Rourke, B., Marban, E. Inducible genetic suppression of neuronal excitability. J. Neurosci. 19 (5), 1691-1697 (1999).
- Sambrook, J., Russell, D. W. . Molecular Cloning: A laboratory manual. , (2001).
- Beaudoin, G. M., et al. Culturing pyramidal neurons from the early postnatal mouse hippocampus and cortex. Nat. Protoc. 7 (9), 1741-1754 (2012).
- Molleman, A. . Patch Clamping: An Introductory Guide To Patch Clamp Electrophysiology. , (2003).
- Walantus, W., Castaneda, D., Elias, L., Kriegstein, A. In utero intraventricular injection and electroporation of E15 mouse embryos. J. Vis. Exp. (6), e239 (2007).
- Lemke, E. A., Summerer, D., Geierstanger, B. H., Brittain, S. M., Schultz, P. G. Control of protein phosphorylation with a genetically encoded photocaged amino acid. Nat. Chem. Biol. 3 (12), 769-772 (2007).
- Coin, I., et al. Genetically encoded chemical probes in cells reveal the binding path of urocortin-I to CRF class B GPCR. Cell. 155 (6), 1258-1269 (2013).
- Takimoto, J. K., Xiang, Z., Kang, J. Y., Wang, L. Esterification of an unnatural amino acid structurally deviating from canonical amino acids promotes its uptake and incorporation into proteins in mammalian cells. Chembiochem. 11 (16), 2268-2272 (2010).
- Parrish, A. R., et al. Expanding the Genetic Code of Caenorhabditis elegans Using Bacterial Aminoacyl-tRNA Synthetase/tRNA Pairs. ACS Chem. Biol. 7 (7), 1292-1302 (2012).
- Lu, H., Klaassen, C. Tissue distribution and thyroid hormone regulation of Pept1 and Pept2 mRNA in rodents. Peptides. 27 (4), 850-857 (2006).
- Tabata, H., Nakajima, K. Efficient in utero gene transfer system to the developing mouse brain using electroporation: visualization of neuronal migration in the developing cortex. Neuroscienze. 103 (4), 865-872 (2001).
- Plaster, N. M., et al. Mutations in Kir2.1 cause the developmental and episodic electrical phenotypes of Andersen’s syndrome. Cell. 105 (4), 511-519 (2001).
- Priori, S. G., et al. A novel form of short QT syndrome (SQT3) is caused by a mutation in the KCNJ2 gene. Circ. Res. 96 (7), 800-807 (2005).
- Beene, D. L., Dougherty, D. A., Lester, H. A. Unnatural amino acid mutagenesis in mapping ion channel function. Curr Opin Neurobiol. 13 (3), 264-270 (2003).
- Hoppmann, C., et al. Genetically encoding photoswitchable click amino acids in Escherichia coli and mammalian cells. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (15), 3932-3936 (2014).
- Hoppmann, C., et al. In Situ Formation of an Azo Bridge on Proteins Controllable by Visible Light. J Am Chem Soc. 137 (35), 11218-11221 (2015).
