Denne protokol beskriver en optogenetisk strategi til modulering af mitogenaktiveret proteinkinase (MAPK) aktivitet under celledifferentiering og Xenopus embryonal udvikling. Denne metode muliggør reversibel aktivering af MAPK-signalvejen i pattedyrcellekultur og i multicellulære levende organismer, som Xenopus- embryoner, med høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Kinaseaktivitet er afgørende for en overflod af cellulære funktioner, herunder celleproliferation, differentiering, migration og apoptose. Under tidlig embryonal udvikling er kinaseaktiviteten meget dynamisk og udbredt over embryoet. Farmakologiske og genetiske metoder anvendes almindeligt til at sonde kinaseaktiviteter. Desværre er det udfordrende at opnå en bedre rumlig og tidsmæssig opløsning ved hjælp af disse strategier. Endvidere er det ikke muligt at kontrollere kinasaktiviteten på en reversibel måde i levende celler og multicellulære organismer. En sådan begrænsning forbliver en flaskehals for at opnå en kvantitativ forståelse af kinaseaktivitet under udvikling og differentiering. Dette arbejde præsenterer en optogenetisk strategi, der udnytter et bicistronisk system, der indeholder fotoaktiverbare proteiner Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2) og det N-terminale domæne i Cryptochrome-interaktive basic-helix-loop-helix (CIBN). ReversiBle-aktivering af den mitogenaktiverede proteinkinase (MAPK) signalveje opnås gennem lysmedieret proteintranslokation i levende celler. Denne fremgangsmåde kan anvendes til pattedyrcellekulturer og levende hvirveldyrembryoner. Dette bicistroniske system kan generaliseres til at kontrollere aktiviteten af andre kinaser med lignende aktiveringsmekanismer og kan anvendes til andre modelsystemer.
Vækstfaktorer er involveret i et bredt spektrum af cellefunktioner, herunder proliferation, differentiering, migration og apoptose og spiller pivotale roller i mange biologiske hændelser, herunder embryonal udvikling, aldring og regulering af mental status 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Mange vækstfaktorer signalerer gennem komplekse intracellulære signalkaskader. Disse signaleringshændelser drives ofte af reversibel proteinphosphorylering på en præcis reguleret måde 6 , 7 . Således er en forståelse af signaleringsresultaterne af proteinkinaser, som er ansvarlige for proteinphosphorylering, grundlæggende vigtig.
Forskellige vækstfaktorer virker gennem et ret almindeligt intracellulært signalnetværk, selv om de stimulerer distInkt cellulære responser 8 , 9 . Almindelige intracellulære mediatorer af receptortyrosinkinaser indbefatter Ras, Raf, ekstracellulær signalreguleret kinase (ERK), mitogenaktiveret proteinkinase (MAPK) / ERK-kinase (MEK), phosphoinositid-3-kinase (PI3K), Akt og phospholipase C gamma (PLCy) 10 , 11 . Akkumulerende beviser tyder på, at signaleringsdiversitet og specificitet afhænger af rumlig og tidsmæssig regulering af signalaktivitet 12 . For eksempel aktiverer epidermal vækstfaktor (EGF) stimulering i rottefokromocytomceller (PC12), som resulterer i celleproliferation, transient aktiveringen af ERK-pathway 9 . På den anden side aktiverer stimulering med nervevækstfaktor (NGF), som fører til celledifferentiering, aktiviteten af ERK-vejen på en vedvarende måde 9 , 13 . I dyrkede rVed hippocampale neuroner fremmer transient signalering af hjerneafledt neurotrof faktor (BDNF) primær neuritudvækst, mens vedvarende signalering fører til øget neuritforgrening 14 . Under tidlig embryonal udvikling er phosphoryleret ERK-aktivitet temporalt dynamisk og er udbredt på tværs af embryoet 6 . En nylig genetisk skærm under tidlig Xenopus embryogenese viste, at ERK- og Akt-signaleringskaskader, to nedstrøms primære vækstfaktorveje, viser scenespecifikke aktiveringsprofiler 7 . En forståelse af kinasignaliseringsresultater kræver således værktøjer, der kan sonde de rumlige og tidsmæssige egenskaber ved kinaseaktivitet med tilstrækkelig opløsning.
Konventionelle eksperimentelle fremgangsmåder til at undersøge den dynamiske natur af signaltransduktion under udvikling mangler den ønskelige rumlige og tidsmæssige opløsning. F.eks. Udnytter farmakologiske fremgangsmåder lille kemIcal eller biologiske molekyler til at stimulere eller undertrykke signaltransduktion i celler og væv. Disse små molekylers diffusive natur gør det udfordrende at begrænse deres handling til en bestemt region af interesse 15 . Genetiske tilgange ( fx transgenese, Cre-Lox-systemet eller mutagenese) fører ofte til den irreversible aktivering eller undertrykkelse af målgenekspression eller proteinaktivitet 16 , 17 , 18 . Tet-On / Tet-Off-systemet 19 tilbyder forbedret temporal kontrol af gentranskription, men mangler streng rumlig kontrol, fordi den er afhængig af diffusionen af tetracyclin. Nylige udviklinger i kemisk induceret proteindimerisering 20 eller foto-uncaging 21 , 22 , 23 , 24 har kraftigt forbedringRedegjorde for den tidsmæssige kontrol af signalnetværk. Den rumlige kontrol forbliver dog udfordrende på grund af den diffusive karakter af de kendte kemikalier.
Nyligt fremkomne optogenetiske fremgangsmåder, som udnytter lysets evne til at kontrollere protein-protein-interaktioner, muliggør modulering af signalveje med høj spatiotemporal præcision såvel som reversibilitet. Kort efter sin oprindelige succes i styringen af neuronfyring 25 , 26 , 27 er optogenetikum blevet udvidet til at kontrollere andre cellulære processer, såsom gentransskription, translation, celle-migration, differentiering og apoptose 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 . En strategi der bruger pHotoaktiverbart proteinpar Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2) protein og det N-terminale domæne af kryptokrom-interagerende basic-helix-loop-helix (CIBN) blev for nylig udviklet til at kontrollere Rafl-kinaseaktivitet i pattedyrceller og Xenopus- embryoner 35 . CRY2 binder til CIBN ved blåt lys stimulering, og CRY2 / CIBN proteinkomplekset dissocierer spontant i mørket 34 . Blåt lys exciterer CRY2 cofactor, flavin adenin dinucleotid (FAD), hvilket fører til en konformationel ændring i CRY2 og dens efterfølgende binding til CIBN. Konstitutivt aktive (W374A) og flavin-deficiente (D387A) -mutanter af CRY2 kan fremstilles gennem mutationer i FAD-bindingslommen: CRY2 W374A- mutanten binder til CIBN uafhængig af lys, mens CRY2 D387A- mutanten ikke binder til CIBN under blå -lys stimulering 36 , 37 . Det optogenetiske system beskrevet iN denne protokol anvender vildtype CRY2 og CIBN til at inducere proteintranslokationsmedieret Raf1-aktivering i levende celler. Det er kendt, at membranrekruteringen af Raf1 øger dens aktivitet 38 . I dette system er et tandem CIBN-modul forankret i plasmamembranen, og CRY2-mCherry er fusioneret til N-terminalen af Raf1 35 . I mangel af blåt lys forbliver CRY2-mCherry-Raf1 i cytoplasmaet, og Raf1 er inaktivt. Blålys stimulering inducerer CRY2-CIBN binding og rekrutterer Raf1 til plasmamembranen, hvor Raf1 aktiveres. Rafaktivering stimulerer en Raf / MEK / ERK signaleringskaskade. Både CRY2- og CIBN-fusionsproteiner er kodet i et bicistronisk genetisk system. Denne strategi kan generaliseres til at kontrollere andre kinaser, såsom Akt, hvis aktiveringstilstand også kan tændes ved proteintranslokation i celler 39 . Dette arbejde præsenterer detaljerede protokoller til gennemførelse af denne optogenetiske strategi i pattedyrcellekultusRes og multicellular organismer.
Ved opbygning af lysboksen bør effekten af de enkelte lysdioder måles. Baseret på tidligere erfaringer kan strømudgangen variere mellem individuelle lysdioder på grund af fremstillingsvarianter. Vælg et sæt lysdioder, der har en effekt inden for 10% af hinanden. Antallet af lysdioder, strømbegrænsende modstand og strømindgang kan ændres til forskellige typer cellekulturbeholdere ( f.eks. En 6-brønds eller 24-brønds plade). En 24 timer lysbelysning med en effekt på 0,2 mW / cm2 fremkalder ikk…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) og National Institutes of Health (NIGMS R01GM111816).
Glass coverslip | VWR | 48393 230 | Substrate for live cell imaging |
Coverslip holder | Newcomer Supply | 6817B | Holder for coverslips |
Detergent | ThermoFisher | 16 000 104 | For cleaning coverslips |
Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768-500G | For making PLL buffer |
Disodium tetraborate | Sigma-Aldrich | 71996-250G | For making PLL buffer |
Plastic beaker | Nalgene | 1201-1000 | For cleaning coverslips |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465-2.5KG | For adjust pH |
Poly-L-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P1274-500MG | For coating coverslip |
Diethylpyrocarbonate (DEPC)-Treated Water | ThermoFisher Scientific | 750024 | For DNA preparation |
Cover Glass Forceps | Ted Pella | 5645 | Cover glass handling |
Tissue cutlure dish | Thermofisher | 12565321 | Cell culture dish |
Sterile centrifuge tubes | ThermoFisher | 12-565-271 | Buffer storage |
Transfection Reagent | ThermoFisher | R0534 | Transfection |
CO2-independent medium | ThermoFisher | 18045088 | For live cell imaging |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Form make cell chamber |
Plasmid Maxiprep kit | Qiagen | 12965 | Plasmid preparation |
DMEM medium | ThermoFisher | 11965-084 | Cell culturing medium component |
F12K medium | ThermoFisher | 21127022 | Cell culturing medium component |
Horse serum | ThermoFisher | 16050122 | Cell culturing medium component |
Fetal Bovine Serum | Signa-Aldrich | 12303C-500 mL | Cell culturing medium component |
Penicillin-Streptomycin-Glutamine | ThermoFisher | 10378016 | Cell culturing medium component |
Trypsin (0.25%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 15050065 | For mammalian cell dissociation |
Agarose | Fisher Scientific | BP1356-100 | For DNA preparation |
Ficoll PM400 | GE Heathcare Life Sciences | 17-5442-02 | For embryo buffer |
L-Cysteine hydrochloride monohydrate | Sigma-Aldrich | 1.02839.0025 | Oocyte preparation |
ApaI | ThermoFisher | FD1414 | For linearization of plasmids |
Dnase I | ThermoFisher | AM2222 | For removing DNA template in the in vitro transcription assay |
Index-match materials (immersion oil) | Thorlabs | MOIL-20LN | For matching the index between sample substrate and objective |
Blue LED | Adafruit | 301 | Light source for optogenetic stimulation |
Resistor kit | Amazon | EPC-103 | current-limiting resistor |
Aluminum boxes | BUD Industries | AC-401 | light box |
BreadBoard | Jekewin | 837654333686 | For making LED array |
Hook up Wire | Electronix Express | 27WK22SLD25 | For making LED array |
Relay Module | Jbtek | SRD-05VDC-SL-C | For intermittent light control |
DC Power Supply | TMS | DCPowerSupply-LW-(PS-305D) | Power supply for LED |
Silicon Power Head | Thorlabs | S121C | For light intensity measurement |
Power meter | Thorlabs | PM100D | For light intensity measurement |
Microscope | Leica Biosystems | DMI8 | For live cell imaging |
BioSafety Cabinet | ThermoFisher | 1300 Series A2 | For mammalian cell handling |
CO2 incubator | ThermoFisher | Isotemp | For mammalian cell culturing |
Stereo microscope | Leica | M60 | For embryo micro-manipulation |
Microinjector | Narishige | IM300 | For embryo microinjection |
Micropipette puller | Sutter Instruments | P87 | Needle puller |
in vitro transcription kit | ThermoFisher | AM1340 | For in vitro transcription. The kit includes nuclease-free water, SP6 RNA Polymerase, ribonucleotide mixture, cap analog, lithium choride precipitation solution, and spin column |
RNA purfication kit | Qiagen | 74104 | Silica-membrane spin column for purification of synthesized RNA |
Convection oven | MTI corporation | EQ-DHG-9015 | PDMS curing |
Centrifugal mixer and teflon container | THINKY | AR310 | For mixing PDMS |
Silicon wafer | UniversityWafer | 452 | Base for making PDMS devices |
Blade | Techni Edge | 01-801 | For cutting PDMS |
Capillary glass | Sutter Instruments | BF100-58-10 | For fabrication of injecting needles. |