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Métodos optogenéticos para registrar la actividad celular.

La optogenética comenzó con métodos para alterar la actividad neuronal con luz, utilizando, por ejemplo, canalrodopsinas . En un sentido más amplio, los enfoques optogenéticos también incluyen el uso de biosensores codificados genéticamente para monitorear la actividad de las neuronas u otros tipos de células midiendo la fluorescencia o la bioluminiscencia . Los indicadores de calcio codificados genéticamente (GECI) se utilizan con frecuencia para controlar la actividad neuronal, pero también se pueden registrar ópticamente otros parámetros celulares como el voltaje de la membrana o la actividad del segundo mensajero. El uso de sensores optogenéticos no se limita a la neurociencia , sino que desempeña un papel cada vez más importante en la inmunología , la cardiología y la investigación del cáncer .

Historia

Los primeros experimentos para medir los niveles de calcio intracelular mediante la expresión de proteínas se basaron en la aequorina , una proteína bioluminiscente de la medusa Aequorea . Sin embargo, para producir luz, esta enzima necesita el compuesto "combustible" coelenteracina , que debe añadirse al preparado. Esto no es práctico en animales intactos y, además, la resolución temporal de las imágenes de bioluminiscencia es relativamente pobre (segundos-minutos). El primer indicador de calcio fluorescente codificado genéticamente (GECI) que se utilizó para obtener imágenes de la actividad en un animal fue el cameleon , diseñado por Atsushi Miyawaki, Roger Tsien y sus compañeros de trabajo en 1997. [1] Cameleon fue utilizado con éxito por primera vez en un animal por Rex Kerr, William Schafer y compañeros de trabajo para registrar neuronas y células musculares del nematodo C. elegans . [2] Posteriormente, Cameleon se utilizó para registrar la actividad neuronal en moscas [3] y peces cebra. [4] En mamíferos, el primer GECI que se utilizó in vivo fue GCaMP , [5] desarrollado por primera vez por Junichi Nakai y sus compañeros de trabajo en 2001. [6] GCaMP ha experimentado numerosas mejoras, en particular por parte de un equipo de científicos de Janelia Farm Research. Campus (proyecto GENIE, HHMI ) y GCaMP6 [7] en particular se han utilizado ampliamente en neurociencia. Muy recientemente, se han aprovechado los receptores acoplados a la proteína G para generar una serie de indicadores altamente específicos para diversos neurotransmisores . [8] [9]

Criterios de diseño

Los sensores codificados genéticamente son proteínas de fusión , que constan de un dominio de unión a ligando (sensor) y una proteína fluorescente , unidas por un conector corto (péptido flexible). Cuando el dominio sensor se une al ligando correcto, cambia de conformación. Este movimiento se transfiere a la proteína fluorescente y la deformación resultante provoca un cambio en la fluorescencia. La eficiencia de este proceso depende críticamente de la longitud de la región del conector, que debe optimizarse en un proceso que requiere mucha mano de obra. La proteína fluorescente a menudo se permuta circularmente, es decir, se crearon nuevos extremos C-terminal y N-terminal . Los sensores de longitud de onda única son fáciles de usar para mediciones cualitativas, pero difíciles de calibrar para mediciones cuantitativas de concentración de ligando.

Una segunda clase de sensores se basa en la transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) entre dos proteínas fluorescentes (FP) de diferente color. El FP (donante) de longitud de onda más corta se excita con luz azul de un láser o LED. Si el segundo FP (aceptor) está muy cerca, la energía se transfiere al aceptor, lo que produce una fluorescencia amarilla o roja. Cuando el FP aceptor se aleja, el donante emite fluorescencia verde. El dominio sensor normalmente se empalma entre los dos FP, lo que resulta en un movimiento de tipo bisagra tras la unión del ligando que cambia la distancia entre el donante y el aceptor. El procedimiento de obtención de imágenes es más complejo para los sensores FRET, pero la relación de fluorescencia se puede calibrar para medir la concentración absoluta de un ligando. También es posible la lectura mediante imágenes de vida útil de la fluorescencia (FLIM) de la fluorescencia del donante, ya que el proceso FRET acelera la disminución de la fluorescencia.

Ventajas de los sensores optogenéticos

Inconvenientes, limitaciones

Clases de indicadores codificados genéticamente.

Estructura de GCaMP
El indicador de calcio GCaMP en su forma unida a calcio (arriba) y sin calcio (abajo). Cuando Ca- calmodulina (cian) se une a M13, la conformación cambia y el cilindro de cpGFP se cierra, lo que permite la fluorescencia verde.

Se han diseñado indicadores para medir concentraciones de iones, potencial de membrana, neurotransmisores y diversas moléculas de señalización intracelular. La siguiente lista proporciona sólo ejemplos para cada clase; Se han publicado muchos más.

señalización intracelular

Neurotransmisores y otras señales extracelulares.

Otras lecturas

Una revisión reciente de indicadores fluorescentes codificados genéticamente basados ​​en GPCR para neuromoduladores [9]

enlaces externos

Referencias

  1. ^ Miyawaki A, Llopis J, Heim R, McCaffery JM, Adams JA, Ikura M, Tsien RY (agosto de 1997). "Indicadores fluorescentes de Ca2+ a base de proteínas verdes fluorescentes y calmodulina". Naturaleza . 388 (6645): 882–887. Código Bib :1997Natur.388..882M. doi : 10.1038/42264 . PMID  9278050. S2CID  13745050.
  2. ^ Kerr R, Lev-Ram V, Baird G, Vincent P, Tsien RY, Schafer WR (junio de 2000). "Imágenes ópticas de transitorios de calcio en neuronas y músculo faríngeo de C. elegans". Neurona . 26 (3): 583–594. doi : 10.1016/s0896-6273(00)81196-4 . PMID  10896155. S2CID  311998.
  3. ^ Fiala A, Spall T, Diegelmann S, Eisermann B, Sachse S, Devaud JM, et al. (octubre de 2002). "El camaleón expresado genéticamente en Drosophila melanogaster se utiliza para visualizar información olfativa en las neuronas de proyección". Biología actual . 12 (21): 1877–1884. Código bibliográfico : 2002CBio...12.1877F. doi : 10.1016/s0960-9822(02)01239-3 . PMID  12419190. S2CID  6312049.
  4. ^ Higashijima S, Masino MA, Mandel G, Fetcho JR (diciembre de 2003). "Imágenes de la actividad neuronal durante el comportamiento del pez cebra con un indicador de calcio codificado genéticamente". Revista de Neurofisiología . 90 (6): 3986–3997. doi :10.1152/jn.00576.2003. PMID  12930818. S2CID  2230173.
  5. ^ Ji G, Feldman ME, Deng KY, Greene KS, Wilson J, Lee JC y col. (mayo de 2004). "Ratones transgénicos sensores de Ca2 +: señalización postsináptica en el músculo liso". La Revista de Química Biológica . 279 (20): 21461–21468. doi : 10.1074/jbc.M401084200 . PMID  14990564.
  6. ^ Nakai J, Ohkura M, Imoto K (febrero de 2001). "Una sonda de Ca (2+) de alta relación señal-ruido compuesta por una única proteína fluorescente verde". Biotecnología de la Naturaleza . 19 (2): 137–141. doi :10.1038/84397. PMID  11175727. S2CID  30254550.
  7. ^ Chen TW, Wardill TJ, Sun Y, Pulver SR, Renninger SL, Baohan A, et al. (Julio 2013). "Proteínas fluorescentes ultrasensibles para obtener imágenes de la actividad neuronal". Naturaleza . 499 (7458): 295–300. Código Bib :2013Natur.499..295C. doi : 10.1038/naturaleza12354. PMC 3777791 . PMID  23868258. 
  8. ^ Ravotto L, Duffet L, Zhou X, Weber B, Patriarchi T (2020). "Un futuro brillante y colorido para los sensores de receptores acoplados a proteína G". Fronteras de la neurociencia celular . 14 : 67. doi : 10.3389/fncel.2020.00067 . PMC 7098945 . PMID  32265667. 
  9. ^ ab Rohner, Valentín Lu; Lamothe-Molina, Paul J.; Patriarcado, Tommaso (30 de enero de 2024). "Ingeniería, aplicaciones y perspectivas futuras de indicadores fluorescentes codificados genéticamente basados ​​en GPCR para neuromoduladores". Revista de neuroquímica . 168 (3): 163–184. doi : 10.1111/jnc.16045 . hdl : 20.500.11850/659388 . ISSN  0022-3042. PMID  38288673.
  10. ^ Jones-Tabah J, Mohammad H, Hadj-Youssef S, Kim LE, Martin RD, Benaliouad F, et al. (septiembre de 2020). "Señalización del receptor de dopamina D1 en ratas parkinsonianas discinéticas revelada por fotometría de fibra utilizando biosensores basados ​​en FRET". Informes científicos . 10 (1): 14426. Código bibliográfico : 2020NatSR..1014426J. doi :10.1038/s41598-020-71121-8. PMC 7468292 . PMID  32879346. 
  11. ^ Sofroniew Nueva Jersey (septiembre de 2017). "Preguntas y respuestas: El cerebro bajo un mesoscopio: el bosque y los árboles". Biología BMC . 15 (1): 82. doi : 10.1186/s12915-017-0426-y . PMC 5598035 . PMID  28911321. 
  12. ^ Pulin M, Stockhausen KE, Masseck OA, Kubitschke M, Busse B, Wiegert JS, Oertner TG (febrero de 2022). "Excitación polarizada ortogonalmente para una microscopía mejorada de dos fotones y de segunda generación de armónicos, aplicada a imágenes de neurotransmisores con sensores basados ​​en GPCR". Óptica Biomédica Express . 13 (2): 777–790. doi :10.1364/BOE.448760. PMC 8884218 . PMID  35284188. 
  13. ^ Zhang Y, Rózsa M, Bushey D, Zheng J, Reep D, Broussard GJ, Tsang A, Tsegaye G, Patel R, Narayan S, Lim JX (2020). "Indicadores rápidos de calcio codificados genéticamente jGCaMP8". Campus de investigación Janelia : 361685. doi : 10.25378/JANELIA.13148243.
  14. ^ Berglund K, Schleich W, Wang H, Feng G, Hall WC, Kuner T, Augustine GJ (agosto de 2008). "Imágenes de la inhibición sináptica en todo el cerebro a través de Clomeleon genéticamente dirigido". Biología de las células cerebrales . 36 (1–4): 101–118. doi :10.1007/s11068-008-9031-x. PMC 2674236 . PMID  18850274. 
  15. ^ Wu, Sheng-Yi; Wen, Yurong; Serre, Nelson antes de Cristo; Laursen, Cathrine Charlotte Heiede; Dietz, Andrea Grostøl; Taylor, Brian R.; Drobizhev, Mikhail; Molina, Rosana S.; Aggarwal, Abhi; Rancic, Vladimir; Becker, Michael; Ballanyi, Klaus; Podgorski, Kaspar; Hirase, Hajime; Nedergaard, Maiken (6 de septiembre de 2022). Dutzler, Raimund (ed.). "Un biosensor de iones de potasio codificado genéticamente sensible y específico para aplicaciones in vivo en todo el árbol de la vida". Más biología . 20 (9): e3001772. doi : 10.1371/journal.pbio.3001772 . ISSN  1545-7885. PMC 9481166 . PMID  36067248. 
  16. ^ Han J, Burgess K (mayo de 2010). "Indicadores fluorescentes de pH intracelular". Reseñas químicas . 110 (5): 2709–2728. doi :10.1021/cr900249z. PMID  19831417.
  17. ^ Jin L, Han Z, Platisa J, Wooltorton JR, Cohen LB, Pieribone VA (septiembre de 2012). "Potenciales de acción únicos y eventos eléctricos subumbral captados en neuronas con una sonda de voltaje de proteína fluorescente". Neurona . 75 (5): 779–785. doi :10.1016/j.neuron.2012.06.040. PMC 3439164 . PMID  22958819. 
  18. ^ Granseth B, Odermatt B, Royle SJ, Lagnado L (septiembre de 2006). "La endocitosis mediada por clatrina es el mecanismo dominante de recuperación de vesículas en las sinapsis del hipocampo". Neurona . 51 (6): 773–786. doi : 10.1016/j.neuron.2006.08.029 . PMID  16982422. S2CID  921124.
  19. ^ Klarenbeek J, Goedhart J, van Batenburg A, Groenewald D, Jalink K (14 de abril de 2015). "Los sensores FRET basados ​​​​en epac de cuarta generación para cAMP presentan un brillo, fotoestabilidad y rango dinámico excepcionales: caracterización de sensores dedicados para FLIM, para ratiometría y con alta afinidad". MÁS UNO . 10 (4): e0122513. Código Bib : 2015PLoSO..1022513K. doi : 10.1371/journal.pone.0122513 . PMC 4397040 . PMID  25875503. 
  20. ^ Yaginuma H, Okada Y (9 de octubre de 2021). "Imágenes de células vivas de la heterogeneidad metabólica mediante la proteína indicadora de ATP fluorescente cuantitativa, QUEEN-37C". bioRxiv : 2021.10.08.463131. doi :10.1101/2021.10.08.463131. S2CID  238585891.
  21. ^ Lee SJ, Escobedo-Lozoya Y, Szatmari EM, Yasuda R (marzo de 2009). "Activación de CaMKII en espinas dendríticas individuales durante la potenciación a largo plazo". Naturaleza . 458 (7236): 299–304. Código Bib :2009Natur.458..299L. doi : 10.1038/naturaleza07842. PMC 2719773 . PMID  19295602. 
  22. ^ Oliveira AF, Yasuda R (14 de enero de 2013). "Un sensor Ras mejorado para imágenes FRET-FLIM cuantitativas y altamente sensibles". MÁS UNO . 8 (1): e52874. Código Bib : 2013PLoSO...852874O. doi : 10.1371/journal.pone.0052874 . PMC 3544822 . PMID  23349692. 
  23. ^ Marvin JS, Scholl B, Wilson DE, Podgorski K, Kazemipour A, Müller JA, et al. (noviembre de 2018). "Estabilidad, afinidad y variantes cromáticas del sensor de glutamato iGluSnFR". Métodos de la naturaleza . 15 (11): 936–939. doi :10.1038/s41592-018-0171-3. PMC 6394230 . PMID  30377363. 
  24. ^ Marvin JS, Shimoda Y, Magloire V, Leite M, Kawashima T, Jensen TP y col. (agosto de 2019). "Un sensor fluorescente codificado genéticamente para obtener imágenes in vivo de GABA". Métodos de la naturaleza . 16 (8): 763–770. doi :10.1038/s41592-019-0471-2. PMID  31308547. S2CID  196812412.
  25. ^ Patriarchi T, Cho JR, Merten K, Howe MW, Marley A, Xiong WH, et al. (junio de 2018). "Imágenes neuronales ultrarrápidas de la dinámica de la dopamina con sensores codificados genéticamente diseñados". Ciencia . 360 (6396): comer4422. doi : 10.1126/ciencia.aat4422. PMC 6287765 . PMID  29853555. 
  26. ^ Labouesse MA, Cola RB, Patriarchi T (octubre de 2020). "Sensores de dopamina basados ​​en GPCR: una guía detallada para informar la elección del sensor para imágenes in vivo". Revista Internacional de Ciencias Moleculares . 21 (21): 8048. doi : 10.3390/ijms21218048 . PMC 7672611 . PMID  33126757. 
  27. ^ Wan J, Peng W, Li X, Qian T, Song K, Zeng J, et al. (mayo de 2021). "Un sensor codificado genéticamente para medir la dinámica de la serotonina". Neurociencia de la Naturaleza . 24 (5): 746–752. doi :10.1038/s41593-021-00823-7. PMC 8544647 . PMID  33821000. 
  28. ^ Kubitschke, Martín; Müller, Mónica; Wallhorn, Lutz; Pulín, Mauro; Mittag, Manuel; Pollok, Stefan; Ziebarth, Tim; Bremshey, Svenja; Gerdey, Jill; Claussen, Kristin Carolin; Renken, Kim; Groß, Juliana; Gneise, Pascal; Meyer, Niklas; Wiegert, J. Simon (6 de diciembre de 2022). "Sensores fluorescentes codificados genéticamente de próxima generación para serotonina". Comunicaciones de la naturaleza . 13 (1): 7525. Código Bib : 2022NatCo..13.7525K. doi :10.1038/s41467-022-35200-w. ISSN  2041-1723. PMC 9726753 . PMID  36473867. S2CID  247454046. 
  29. ^ Unger, Elizabeth K.; Keller, Jacob P.; Altermatt, Michael; Liang, Ruqiang; Matsui, Aya; et al. (diciembre de 2020). "Evolución dirigida de un sensor de serotonina sensible y selectivo mediante aprendizaje automático". Celúla . 183 (7): 1986–2002.e26. doi :10.1016/j.cell.2020.11.040. PMC 8025677 . PMID  33333022. 
  30. ^ Feng J, Zhang C, Lischinsky JE, Jing M, Zhou J, Wang H, et al. (mayo de 2019). "Un sensor fluorescente codificado genéticamente para la detección in vivo rápida y específica de noradrenalina". Neurona . 102 (4): 745–761.e8. doi :10.1016/j.neuron.2019.02.037. PMC 6533151 . PMID  30922875. 
  31. ^ Dong A, He K, Dudok B, Farrell JS, Guan W, Liput DJ y otros. (noviembre de 2021). "Un sensor fluorescente para imágenes resueltas espaciotemporalmente de la dinámica endocannabinoide in vivo". Biotecnología de la Naturaleza . 40 (5): 787–798. doi :10.1038/s41587-021-01074-4. PMC 9091059 . PMID  34764491. S2CID  244039925. 
  32. ^ Duffet L, Kosar S, Panniello M, Viberti B, Bracey E, Zych AD, et al. (febrero de 2022). "Un sensor codificado genéticamente para obtener imágenes in vivo de neuropéptidos de orexina". Métodos de la naturaleza . 19 (2): 231–241. doi :10.1038/s41592-021-01390-2. PMC 8831244 . PMID  35145320. 
  33. ^ Nasu, Yusuke; Murphy-Royal, Ciaran; Wen, Yurong; Haidey, Jordan N.; Molina, Rosana S.; Aggarwal, Abhi; Zhang, Shuce; Kamijou, Yuki; Paquet, Marie-Eve; Podgorski, Kaspar; Drobizhev, Mikhail; Bains, Jaideep S.; Lemieux, M. Joanne; Gordon, Grant R.; Campbell, Robert E. (6 de diciembre de 2021). "Un biosensor fluorescente codificado genéticamente para l-lactato extracelular". Comunicaciones de la naturaleza . 12 (1): 7058. Código bibliográfico : 2021NatCo..12.7058N. doi :10.1038/s41467-021-27332-2. ISSN  2041-1723. PMC 8648760 . PMID  34873165. 
  34. ^ Greenwald EC, Mehta S, Zhang J (diciembre de 2018). "Los biosensores fluorescentes codificados genéticamente iluminan la regulación espaciotemporal de las redes de señalización". Reseñas químicas . 118 (24): 11707–11794. doi : 10.1021/acs.chemrev.8b00333. PMC 7462118 . PMID  30550275.