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Method Article
Presentiamo protocolli per l'applicazione del nostro indicatore di calcio (GECI) CatchER + per il monitoraggio dei rapidi transitori di calcio nel reticolo endoplasmatico / sarcoplasmatico (ER / SR) di HEK293 e delle cellule del muscolo scheletrico C2C12 utilizzando microscopia a fluorescenza in tempo reale. Viene inoltre discusso un protocollo per la misura e la calibrazione in K d in situ .
I transitori intracellulari di calcio (Ca 2+ ) evocati da stimoli extracellulari iniziano una moltitudine di processi biologici negli organismi viventi. Al centro del rilascio di calcio intracellulare sono i principali organici intracellulari di stoccaggio del calcio, il reticolo endoplasmatico (ER) e il reticolo sarcoplasmatico più specializzato (SR) nelle cellule muscolari. La liberazione dinamica del calcio da questi organelli è mediata dal recettore del ryanodine (RyR) e dall'inositolo 1,4,5-trifosfato (IP 3 R) con ricarico che si verificano attraverso la pompa sarco / endoplasmatica calcio ATPase (SERCA). Un sensore di calcio geneticamente codificato (GECI) chiamato CatchER è stato creato per monitorare il rilascio rapido del calcio dalla ER / SR. Ecco i protocolli dettagliati per la trasfezione e l'espressione del migliorato GECI CatchER + targeting ER / SR nelle cellule HEK293 e C2C12 e la sua applicazione nel monitoraggio del transitorio di calcio mediato dalla pompa IP 3 R, RyR e SERCAIn cellule HEK293 utilizzando microscopia a fluorescenza è descritto. L'agonista del recettore o l'inibitore della scelta è disperso nella soluzione della camera e i cambiamenti di intensità sono registrati in tempo reale. Con questo metodo si osserva una diminuzione del calcio ER con attivazione di RyR con 4-cloro-m-cresolo (4-cmc), l'attivazione indiretta di IP 3 R con adenosina trifosfato (ATP) e l'inibizione della pompa SERCA con ciclopiazonico Acido (CPA). Discutiamo anche i protocolli per la determinazione del K d in situ e la quantificazione basale [Ca 2+ ] nelle cellule C2C12. In sintesi, questi protocolli, usati in combinazione con CatchER + , possono elicitare il rilascio di calcio mediato dal recettore dalla ER con applicazione futura nello studio delle patologie correlate al calcio ER / SR.
Gli attributi spazio-temporali dei transitori intracellulari del calcio (Ca 2+ ) attivano varie funzioni biologiche 1 . Questi eventi di segnalazione Ca 2+ vengono scatenati extracellulari attraverso diversi stimoli e controllati intracellulariamente dalle principali organelle di stoccaggio Ca 2+ e da numerose Ca 2+ pompe, canali e proteine leganti Ca 2+ . I transitori Ca 2+ possono essere alterati in modo significativo a causa di difetti con la modulazione del segnale, portando a diverse malattie 2 . A causa della velocità e dell'intricacy del sistema di segnalazione Ca 2+ , con il reticolo endo- (ER) e sarcoplasmatico (SR) al centro, sono necessarie sonde Ca 2+ geneticamente codificate che sono state ottimizzate per l'espressione dei mammiferi con una rapida cinetica Per osservare i cambiamenti globali e locali di Ca 2+ in cellule diverse 3 .
L'ER e la SR, La sua controparte nelle cellule muscolari, sono i principali organoli di storage Ca 2+ intracellulari e fungono da pozzetti Ca 2+ che aiutano ad amplificare il segnale Ca 2+ 4 . L'ER / SR è parte integrante della segnalazione Ca 2+ con doppio ruolo come trasmettitore e ricevitore di segnali 5 . Il recettore del ryanodine (RyR) e il recettore inositolo 1,4,5-trifosfato (IP 3 R) sono recettori di rilascio Ca 2+ situati sulle membrane del ER / SR regolate da Ca 2+ 6 . Altri agenti stimolano direttamente o indirettamente la funzione di questi recettori. 4-cloro-m-cresolo (4-cmc) è un potente agonista della RyR, con una sensibilità più alta di 10 volte rispetto alla caffeina per indurre la liberazione di SR Ca 2+, dove entrambi sono regolarmente impiegati per studiare la rilascio Ca 2+ mediata da RyR Cellule sane e malate 7 . ATP aumenta il Ca 2+ re mediato da IP 3Leasing attraverso il IP 3 R 8 . ATP si lega al recettore purinergico P2YR, un recettore accoppiato a proteine G (GPCR), innescando la produzione di IP 3 che si lega all'IP 3 R per rilasciare Ca 2+ dalla ER 9 , 10 . La pompa di calcio ATPase (SERCA) di tipo reticolare sarco-endoplasmatico è una pompa ATPasi tipo P, situata anche sulla membrana ER / SR che riduce la Ca 2+ citosolica e ricarica l'ER / SR attivamente pompando lo ione nel lumen ER / SR 11 . Gli inibitori specifici della pompa SERCA includono thapsigargin, da Thapsia garganica e acido ciclopiazonico (CPA), da Aspergillus e Penicillium . La CPA ha una bassa affinità per la pompa e reversibilmente blocca il punto di accesso Ca 2+ 12 . Thapsigargin, d'altro canto, si lega irreversibilmente alla pompa libera Ca 2+ al residuo F256 nell'elica M3 con nanomoloAffinità 11 . Analizzare e quantificare i cambiamenti coinvolti negli eventi stimolati da Ca 2+ è stato e rimane una sfida. Dal momento che l'ER / SR è il principale contenitore subcellulare Ca 2+ contenente una funzione centrale nella propagazione del segnale Ca 2+ , molti lavori sono stati focalizzati sulla comprensione del segnale ER / SR Ca 2+ 5 .
La creazione di coloranti sintetici Ca 2+ ha contribuito a promuovere il campo e la pratica dell'immagine Ca 2+ . Anche se i coloranti, come Mag-Fura-2, sono stati ampiamente utilizzati per misurare Ca 2+ compartimentalizzati in diverse cellule, 13 , 14 , 15 hanno limitazioni quali il caricamento di tinte non uniformi, la fotolibrazione e l'incapacità di essere destinati a specifici organelli . La scoperta della proteina fluorescente verde (GFP) e l'avanzamento delle proteine fluorescenti-Sonde Ca 2+ ha spinto il campo di Ca 2+ in avanti 16 . Alcuni dei GECI esistenti sono coppie di trasferimento di energia di risonanza Förster (FRET) che coinvolgono la proteina fluorescente gialla (YFP), la proteina fluorescente cianica (CFP), il calmodulina e il peptide legante M13 17 , 18 . I GECI a base di Troponin C sono disponibili anche come coppia FRET di CFP e Citrine e come singole sonde di fluoroforo 19 , 20 , 21 . Altri, come GCaMP2 e R-GECO, sono singoli sensori fluorofori coinvolgenti la calmodulina 22 , 23 . Per superare le limitazioni della sintonizzazione stretta di K d e di legame cooperativo associato a più siti di legame Ca 2+ trovati nei loro domini 24 legati alla Ca 2+ , una nuova classe di calcio senI disordini sono stati creati progettando un sito di legame Ca 2+ sulla superficie del barile beta in una posizione sensibile al cromoforo di proteine fluorescenti verde avanzate (EGFP) 25 , 26 . Questo sensore altamente protetto, chiamato CatchER, ha un K d di ~ 0,18 mM, ak vicino al limite di diffusione e ak off di 700 s -1 . CatchER è stato usato per monitorare il rilascio di calcio ER / SR mediato dal recettore in diverse linee cellulari di mammiferi come HeLa, HEK293 e C2C12 25 . A causa della sua rapida cinetica, CatchER è stato utilizzato in fibre muscolari flexor digitorum brevis (FDB) di topi giovani e vecchi Friend Virus B NIH Jackson (FVB) per rivelare che più Ca 2+ rimane nella SR dopo 2 s di depolarizzazione nella FDB Fibre di vecchi topi rispetto a quelli dei giovani topi 27 . Per superare la sua bassa fluorescenza a 37 ° C, che ostacola le sue applicazioni nell'immagine del calcio di mammiferiAbbiamo sviluppato una versione migliorata di CatchER chiamata CatchER + . CatchER + mostra una migliore fluorescenza a 37 ° C per una migliore applicazione nelle cellule dei mammiferi. Ulteriori mutazioni sono state incorporate in CatchER per migliorare la termostabilità e la fluorescenza a 37 ° C 28 , 29 , per creare CatchER + . CatchER + mostra un aumento del suo rapporto segnale / rumore (SNR) di sei volte rispetto a CatchER 30 .
Qui vengono presentati i protocolli per la cultura e la trasfezione delle cellule HEK293 e C2C12 con CatchER + e la sua applicazione per il monitoraggio dei transienti di calcio mediati dal recettore ER / SR. I risultati rappresentativi sono mostrati per CatchER + espresso in cellule HEK293 trattate con 4-cmc, CPA e ATP. Inoltre forniamo un protocollo per la determinazione del in situ K d di CatchER + in cellule miooblasto C2C12 e quaDi basale [Ca 2+ ].
1. Preparazione delle diapositive
2. Preparazione di supporti, buffers, soluzioni e reagenti
3. Cultura cellulare
4. Trasfezione delle cellule HEK293
5. Preparazione del microscopio a scorrimento e fluorescenza
6. Imaging dei transitori Ca 2+ indotti da farmaci e di calibrazione in situ
7. Elaborazione dei dati
Questa sezione illustrerà i risultati ottenuti utilizzando i metodi precedentemente descritti usando il GECI CatchER + mirato ER / SR mirato per monitorare i cambiamenti in ER / SR Ca 2+ attraverso diversi percorsi mediati dal recettore.
La figura 1 illustra lo svuotamento ER attraverso il RyR stimolato con 200 μM di 4 cm. 4-cmc è un agonista del RyR. L'aggiunta del fa...
L'imaging a cellule singole di sonde fluorescenti, come CatchER + , è una tecnica efficace per analizzare i processi di segnalazione intrinsecamente ER / SR Ca 2+ in ogni cellula in risposta a agonisti o antagonisti del recettore. Questa tecnica è utile anche per l'imaging utilizzando più lunghezze d'onda contemporaneamente, come è necessario per Fura-2 o per l'immagine CatchER + e Rhod-2 insieme per monitorare rispettivamente i cambiamenti di calcio ER e citosolici. ...
Gli autori non hanno niente da rivelare.
Questo lavoro è stato finanziato da NIH GM62999, NIH EB007268, NIH AG15820, B & B Seed Grant e un Supplemental Grant NIH a FR, borsa di BB a CM, borsa CDT a RG.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 22x40 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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