Geneticky kódovaný indikátor napětí - Genetically encoded voltage indicator

Geneticky kódovaný indikátor napětí (nebo GEVI) je protein to může cítit membránový potenciál v buňce a souvisí se změnou v Napětí na formu výstupu, často úroveň fluorescence.[1] Je to slibné optogenetický záznamový nástroj, který umožňuje export elektrofyziologické signály z kultivovaných buněk, živých zvířat a nakonec lidského mozku. Mezi příklady pozoruhodných GEVI patří ArcLight,[2] ASAP1,[3] ASAP3,[4] a Ace2N-mNeon.[5]

Dějiny

Navzdory tomu byla myšlenka optického měření neuronální aktivity navržena koncem šedesátých let,[6] první úspěšný GEVI, který byl dostatečně vhodný pro skutečné použití, nebyl vyvinut, dokud technologie genetického inženýrství na konci 90. let nevyrostly. První GEVI, vytvořený FlaSh,[7] byl postaven fúzí modifikovaného zelený fluorescenční protein s napěťově citlivým K+ kanál (Třepačka ). Na rozdíl od fluorescenčních proteinů byl objev nových GEVI málokdy inspirován přírodou, protože je těžké najít organismus, který by přirozeně měl schopnost měnit svou fluorescenci na základě napětí. Nové GEVI jsou tedy většinou produkty genetického a proteinového inženýrství.

K nalezení nových GEVI lze použít dvě metody: racionální design a řízená evoluce. První metoda přispívá k většině nových variant GEVI, ale nedávné výzkumy využívající řízenou evoluci ukázaly slibné výsledky v optimalizaci GEVI.[8]

Struktura

GEVI může mít mnoho návrhů konfigurace pro realizaci funkce snímání napětí.[9] Podstatným rysem struktury GEVI je, že se musí nacházet na buněčné membráně. Koncepčně by struktura GEVI měla umožňovat funkci snímání rozdílu napětí a jeho hlášení změnou fluorescence. Obvykle se doména snímající napětí (VSD) GEVI rozprostírá přes membránu a je připojena k fluorescenčnímu proteinu (proteinům). Není však nutné, aby snímání a hlášení probíhalo v různých strukturách, např. Oblouk.

Podle struktury lze GEVI rozdělit do čtyř kategorií na základě aktuálních zjištění: (1) GEVI obsahují pár fluorescenčního proteinu FRET, např. VSFP1, (2) Jednotlivé opsinové GEVI, např. Oblouk, (3) Opsin-FP FRET pár GEVI, např. MacQ-mCitrine, (4) single FP se speciálními typy domén snímajících napětí, např. ASAP1. Většina GEVI je založena na Ciona intestinalis napěťově citlivá fosfatáza (Ci-VSP nebo Ci-VSD (doména)), který byl objeven v roce 2005 z genomický průzkum organismu.[10] Některé GEVI mohou mít podobné komponenty, ale s odlišným umístěním. Například ASAP1 a ArcLight oba používají VSD a jeden FP, ale FP ASAP1 je na vnější straně buňky, zatímco ArcLight je na vnitřní straně a dva FP VSFP-Butterfly jsou odděleny VSD, zatímco dva FP Mermaid jsou relativně blízko u sebe.

Tabulka GEVI a jejich struktura
GEVI[A]RokSnímáníHlášeníPředchůdce
Blikat[7]1997Třepačka (K.+ kanál)GFP-
VSFP1[11]2001Krysa Kv2.1 (K.+ kanál)FRET pár: CFP a YFP-
SPARC[12]2002Krysa Na+ kanálGFP-
VSFP2[13]2007Ci-VSDFRET pár: CFP (Cerulean) a YFP (Citrin)VSFP1
Světlice[14]2007Kv1,4 (K.+ kanál)YFPBlikat
VSFP3.1[15]2008Ci-VSDSRPVSFP2
Mořská panna[16]2008Ci-VSDFRET pár: Marine GFP (mUKG) a OFP (mKOκ)VSFP2
hVOS[17]2008DipikrylaminGFP-
Červeně posunuté VSFP[18]2009Ci-VSDRFP / YFP (citrin, mOrange2, TagRFP nebo mKate2)VSFP3.1
PODPORY[19]2011Modifikovaný zeleně absorbující proteorhodopsin (GPR)Stejné jako vlevo-
Zahra, Zahra 2[20]2012Nv-VSD, Dr-VSDFRET pár: CFP (Cerulean) a YFP (Citrin)VSFP2
ArcLight[21]2012Ci-VSDModifikovaný superekliptický pHluorin-
Oblouk[22]2012Archaerhodopsin 3Stejné jako vlevo-
ElectricPk[23]2012Ci-VSDKruhově permutovaný EGFPVSFP3.1
VSFP-motýl[24]2012Ci-VSDFRET pár: YFP (mCitrine) a RFP (mKate2)VSFP2
VSFP-CR[25]2013Ci-VSDFRET pár: GFP (jetel) a RFP (mRuby2)VSFP2.3
Mořská panna 2[26]2013Ci-VSDFRET pár: CFP (seCFP2) a YFPMořská panna
Mac GEVI[27]2014Mac rhodopsin (akceptor FRET)Dárce FRET: mCitrine nebo mOrange2-
QuasAr1, QuasAr2[28]2014Upravený archaerhodopsin 3Stejné jako vlevoOblouk
Lukostřelec[29]2014Upravený archaerhodopsin 3Stejné jako vlevoOblouk
ASAP1[3]2014Upravený Gg-VSDKruhově permutovaný GFP-
Eso GEVI[30]2015Modifikovaný eso rhodopsinDárce FRET: mNeonGreenMac GEVI
ArcLightning[31]2015Ci-VSDModifikovaný superekliptický pHluorinArcLight
Pado[32]2016Napěťově řízený protonový kanálSuper ekliptický pHluorin-
ASAP2f[33]2016Upravený Gg-VSDKruhově permutovaný GFPASAP1
FlicR1[34]2016Ci-VSDKruhově permutovaný RFP (mApple)VSFP3.1
Bongwoori[35]2017Ci-VSDModifikovaný superekliptický pHluorinArcLight
ASAP2s[36]2017Upravený Gg-VSDKruhově permutovaný GFPASAP1
ASAP-Y[37]2017Upravený Gg-VSDKruhově permutovaný GFPASAP1
(pa) QuasAr3 (-s)[38]2019Upravený archaerhodopsin 3Stejné jako vlevoQuasAr2
Voltron (-ST)2019Modifikovaný eso rhodopsin (Ace2)Dárce FRET: Janelia Fluor (chemická látka)-
ASAP3[4]2019Upravený Gg-VSDKruhově permutovaný GFPASAP2s
  1. ↑ Názvy kurzívou označují nepojmenované GEVI.

Vlastnosti

GEVI lze hodnotit podle mnoha charakteristik. Tyto vlastnosti lze rozdělit do dvou kategorií: výkon a kompatibilita. Mezi vlastnosti výkonu patří jas, fotostabilita, citlivost, kinetika (rychlost), linearita odezvy atd., zatímco vlastnosti kompatibility pokrývají toxicitu (fototoxicita ), lokalizace plazmatické membrány, přizpůsobivost zobrazování hlubokých tkání atd.[39] Zatím žádný existující GEVI nesplňuje všechny požadované vlastnosti, takže hledání dokonalého GEVI je stále docela konkurenceschopnou oblastí výzkumu.

Aplikace a výhody

Různé typy GEVI se používají v mnoha oblastech biologického nebo fyziologického výzkumu. Předpokládá se, že je lepší než běžné metody detekce napětí, jako je na bázi elektrod elektrofyziologické záznamy, zobrazování vápníku nebo barviva citlivá na napětí. Může ukázat neuronové signály s subcelulárním prostorovým rozlišením.[40] Má rychlé časové rozlišení (pod milisekundu[30]), což odpovídá nebo překonává výsledky elektrodových záznamů a je o jednu velikost rychlejší než zobrazování vápníkem. Vědci jej použili ke zkoumání nervové komunikace intaktního mozku (z Drosophila[41] nebo myš[42]), elektrické značení bakterie (E-coli[19]) a odvozené z lidských kmenových buněk kardiomyocyt.[43][44]

Reference

  1. ^ „Geneticky kódované indikátory napětí“. Openoptogenetics.org. Citováno 8. května 2017.
  2. ^ Jin, L; Han, Z; Platisa, J; Wooltorton, JR; Cohen, LB; Pieribone, VA (6. září 2012). „Jednočinné potenciály a podprahové elektrické události zobrazované v neuronech pomocí fluorescenční proteinové sondy napětí“. Neuron. 75 (5): 779–85. doi:10.1016 / j.neuron.2012.06.040. PMC  3439164. PMID  22958819.
  3. ^ A b St-Pierre F, Marshall JD, Yang Y a kol. (2014). „Vysoce věrný optický přenos neuronální elektrické aktivity pomocí ultrarychlého čidla fluorescenčního napětí“. Nat. Neurosci. 17 (6): 884–889. doi:10.1038 / nn.3709. PMC  4494739. PMID  24755780.
  4. ^ A b Villette, V; Chavarha, M; Dimov, IK; Bradley, J; Pradhan, L; Mathieu, B; Evans, SW; Chamberland, S; Shi, D; Yang, R; Kim, BB; Ayon, A; Jalil, A; St-Pierre, F; Schnitzer, MJ; Bi, G; Toth, K; Ding, J; Dieudonné, S; Lin, MZ (12. prosince 2019). „Ultrarychlé dvoufotonové zobrazování indikátoru vysokého zesílení při probuzení chovaných myší“. Buňka. 179 (7): 1590–1608.e23. doi:10.1016 / j.cell.2019.11.004. PMC  6941988. PMID  31835034.
  5. ^ Gong, Y; Huang, C; Li, JZ; Grewe, BF; Zhang, Y; Eismann, S; Schnitzer, MJ (11. prosince 2015). „Vysokorychlostní záznam nervových špiček u probuzených myší a much pomocí fluorescenčního snímače napětí“. Věda. 350 (6266): 1361–6. doi:10.1126 / science.aab0810. PMC  4904846. PMID  26586188.
  6. ^ Cohen LB, Keynes RD, Hille B (1968). "Rozptyl světla a dvojlom se mění během nervové činnosti". Příroda. 218 (5140): 438–441. doi:10.1038 / 218438a0. PMID  5649693.
  7. ^ A b Siegel MS, Isacoff EY (1997). "Geneticky kódovaná optická sonda membránového napětí". Neuron. 19 (4): 735–741. doi:10.1016 / S0896-6273 (00) 80955-1. PMID  9354320.
  8. ^ Platisa J, Vasan G, Yang A a kol. (2017). „Řízená evoluce klíčových zbytků ve fluorescenčním proteinu převrací polaritu napěťové citlivosti v geneticky kódovaném indikátoru ArcLight“. ACS Chem. Neurosci. 8 (3): 513–523. doi:10.1021 / acschemneuro.6b00234. PMC  5355904. PMID  28045247.
  9. ^ Gong Y (2015). „Vyvíjející se schopnosti geneticky kódovaných indikátorů napětí na bázi rhodopsinu“. Curr. Opin. Chem. Biol. 27: 84–89. doi:10.1016 / j.cbpa.2015.05.006. PMC  4571180. PMID  26143170.
  10. ^ Murata Y, Iwasaki H, Sasaki M a kol. (2005). "Aktivita fosfoinositid fosfatázy spojená se senzorem vnitřní napětí". Příroda. 435 (7046): 1239–1243. doi:10.1038 / nature03650. PMID  15902207.
  11. ^ Sakai R, Repunte-Canonigo V, Raj CD a kol. (2001). "Návrh a charakterizace DNA kódovaného fluorescenčního proteinu citlivého na napětí". Eur. J. Neurosci. 13 (12): 2314–2318. doi:10.1046 / j.0953-816x.2001.01617.x. PMID  11454036.
  12. ^ Ataka K, Pieribone VA (2002). „Geneticky zaměřitelná fluorescenční sonda vtokového kanálu s rychlou kinetikou“. Biophys. J. 82 (1 Pt 1): 509–516. doi:10.1016 / S0006-3495 (02) 75415-5. PMC  1302490. PMID  11751337.
  13. ^ Dimitrov D, He Y, Mutoh H a kol. (2007). „Inženýrství a charakterizace vylepšeného senzoru napětí fluorescenčního proteinu“. PLoS One. 2 (5): e440. doi:10.1371 / journal.pone.0000440. PMC  1857823. PMID  17487283.
  14. ^ Baker BJ, Lee H, Pieribone VA a kol. (2007). „Tři senzory fluorescenčního proteinového napětí vykazují nízkou expresi v plazmatické membráně v savčích buňkách“. J. Neurosci. Metody. 161 (1): 32–38. doi:10.1016 / j.jneumeth.2006.10.005. PMID  17126911.
  15. ^ Lundby A, Mutoh H, Dimitrov D a kol. (2008). „Inženýrství geneticky kódovatelného fluorescenčního senzoru napětí využívajícího rychlé pohyby detekující napětí Ci-VSP“. PLoS One. 3 (6): e2514. doi:10.1371 / journal.pone.0002514. PMC  2429971. PMID  18575613.
  16. ^ Tsutsui H, Karasawa S, Okamura Y a kol. (2008). "Zlepšení měření membránového napětí pomocí FRET s novými fluorescenčními proteiny". Nat. Metody. 5 (8): 683–685. doi:10.1038 / nmeth.1235. PMID  18622396.
  17. ^ Sjulson L, Miesenböck G (2008). „Racionální optimalizace a zobrazování in vivo geneticky kódovaného optického reportéru napětí“. J. Neurosci. 28 (21): 5582–5593. doi:10.1523 / JNEUROSCI.0055-08.2008. PMC  2714581. PMID  18495892.
  18. ^ Perron A, Mutoh H, Launey T a kol. (2009). „Červeně posunuté napěťově citlivé fluorescenční proteiny“. Chem. Biol. 16 (12): 1268–1277. doi:10.1016 / j.chembiol.2009.11.014. PMC  2818747. PMID  20064437.
  19. ^ A b Kralj JM, Hochbaum DR, Douglass AD a kol. (2011). „Elektrický proud v Escherichia coli sondován s fluorescenčním proteinem indikujícím napětí“. Věda. 333 (6040): 345–348. doi:10.1126 / science.1204763. PMID  21764748.
  20. ^ Baker BJ, Jin L, Han Z a kol. (2012). „Geneticky kódované fluorescenční napěťové senzory využívající doménu snímání napětí Nematostella a Danio fosfatáz vykazují rychlou kinetiku“. J. Neurosci. Metody. 208 (2): 190–196. doi:10.1016 / j.jneumeth.2012.05.016. PMC  3398169. PMID  22634212.
  21. ^ Jin L, Han Z, Platisa J a kol. (2012). „Jednočinné potenciály a podprahové elektrické události zobrazované v neuronech pomocí fluorescenční proteinové sondy napětí“. Neuron. 75 (5): 779–785. doi:10.1016 / j.neuron.2012.06.040. PMC  3439164. PMID  22958819.
  22. ^ Kralj JM, Douglass AD, Hochbaum DR a kol. (2011). „Optický záznam akčních potenciálů v savčích neuronech pomocí mikrobiálního rhodopsinu“. Nat. Metody. 9 (1): 90–95. doi:10.1038 / nmeth.1782. PMC  3248630. PMID  22120467.
  23. ^ Barnett L, Platisa J, Popovic M a kol. (2012). „Fluorescenční, geneticky kódovaná napěťová sonda schopná rozlišit akční potenciály“. PLoS One. 7 (9): e43454. doi:10.1371 / journal.pone.0043454. PMC  3435330. PMID  22970127.
  24. ^ Akemann W, Mutoh H, Perron A a kol. (2012). "Zobrazování dynamiky nervových obvodů s fluorescenčním proteinem citlivým na napětí". J. Neurophysiol. 108 (8): 2323–2337. doi:10.1152 / jn.00452.2012. PMID  22815406.
  25. ^ Lam AJ, St-Pierre F, Gong Y a kol. (2013). „Zlepšení dynamického rozsahu FRET pomocí jasně zelených a červených fluorescenčních proteinů“. Biophys. J. 104 (2): 683a. doi:10.1016 / j.bpj.2012.11.3773. PMC  3461113. PMID  22961245.
  26. ^ Tsutsui H, Jinno Y, Tomita A a kol. (2013). „Vylepšená detekce elektrické aktivity pomocí napěťové sondy založené na fosfatáze snímající napětí“. J. Physiol. (Lond.). 591 (18): 4427–4437. doi:10.1113 / jphysiol.2013.257048. PMC  3784191. PMID  23836686.
  27. ^ Gong Y, Wagner MJ, Zhong Li J a kol. (2014). „Zobrazování neurální špičky v mozkové tkáni pomocí senzorů napětí proteinu FRET-opsin“. Nat. Commun. 5: 3674. doi:10.1038 / ncomms4674. PMC  4247277. PMID  24755708.
  28. ^ Hochbaum DR, Zhao Y, Farhi SL a kol. (2014). "All-optická elektrofyziologie v savčích neuronech pomocí vytvořených mikrobiálních rodopsinů". Nat. Metody. 11 (8): 825–833. doi:10,1038 / nmeth.3000. PMC  4117813. PMID  24952910.
  29. ^ Flytzanis NC, Bedbrook CN, Chiu H a kol. (2014). „Varianty archaerhodopsinu se zvýšenou fluorescencí citlivou na napětí v neuronech savců a Caenorhabditis elegans“. Nat. Commun. 5: 4894. doi:10.1038 / ncomms5894. PMC  4166526. PMID  25222271.
  30. ^ A b Gong Y, Huang C, Li JZ a kol. (2015). „Vysokorychlostní záznam nervových špiček u probouzených myší a much pomocí fluorescenčního snímače napětí“. Věda. 350 (6266): 1361–1366. doi:10.1126 / science.aab0810. PMC  4904846. PMID  26586188.
  31. ^ Treger JS, Priest MF, Bezanilla F (2015). „Jednomolekulární fluorimetrie a hradlové proudy inspirují vylepšený indikátor optického napětí“. eLife. 4: e10482. doi:10,7554 / eLife.10482. PMC  4658195. PMID  26599732.
  32. ^ Kang BE, Baker BJ (2016). „Pado, fluorescenční protein s aktivitou protonového kanálu může opticky monitorovat membránový potenciál, intracelulární pH a mapovat mezery“. Sci. Rep. 6: 23865. doi:10.1038 / srep23865. PMC  4878010. PMID  27040905.
  33. ^ Yang HH, St-Pierre F, Sun X a kol. (2016). „Subcelulární zobrazování signálů napětí a vápníku odhaluje nervové zpracování in vivo“. Buňka. 166 (1): 245–257. doi:10.1016 / j.cell.2016.05.031. PMC  5606228. PMID  27264607.
  34. ^ Abdelfattah AS, Farhi SL, Zhao Y a kol. (2016). „Jasný a rychlý červený indikátor napětí fluorescenčního proteinu, který hlásí neuronální aktivitu v organotypových řezech mozku“. J. Neurosci. 36 (8): 2458–2472. doi:10.1523 / JNEUROSCI.3484-15.2016. PMC  4764664. PMID  26911693.
  35. ^ Lee S, Geiller T, Jung A a kol. (2017). „Zlepšení geneticky kódovaného indikátoru napětí úpravou složení cytoplazmatického náboje“. Sci. Rep. 7 (1): 8286. doi:10.1038 / s41598-017-08731-2. PMC  5557843. PMID  28811673.
  36. ^ Chamberland, S; Yang, HH; Pan, MM; Evans, SW; Guan, S; Chavarha, M; Yang, Y; Salesse, C; Wu, H; Wu, JC; Clandinin, TR; Toth, K; Lin, MZ; St-Pierre, F (27. července 2017). „Rychlé dvoufotonové zobrazování dynamiky subcelulárního napětí v neuronální tkáni s geneticky zakódovanými indikátory“. eLife. 6. doi:10,7554 / eLife.25690. PMC  5584994. PMID  28749338.
  37. ^ Lee EE, Bezanilla F (2017). „Biofyzikální charakterizace geneticky kódovaného snímače napětí ASAP1: Vylepšení dynamického rozsahu“. Biophys. J. 113 (10): 2178–2181. doi:10.1016 / j.bpj.2017.10.018. PMC  5700382. PMID  29108650.
  38. ^ Adam Y, Kim JJ, Lou S a kol. (2019). „Napěťové zobrazování a optogenetika odhalují změny v dynamice hipokampu závislé na chování“. Příroda. 569 (7756): 413–417. doi:10.1038 / s41586-019-1166-7. PMC  6613938. PMID  31043747.
    „Spojili jsme paQuasAr3 s motivem obchodování ze soma-lokalizovaného draselného kanálu KV2.1, což vedlo k převážně soma-lokalizované expresi (obr. 2a, b). Tento konstrukt jsme nazvali paQuasAr3-s.“
    „QuasAr3 (V59A) jsme nazvali„ fotoaktivovaný QuasAr3 “(paQuasAr3).“
    „QuasAr2 (K171R) -TS-citrin-TS-TS-TS-ER2, kterému říkáme QuasAr3.“
  39. ^ Yang HH, St-Pierre F (2016). „Geneticky kódované indikátory napětí: příležitosti a výzvy“. J. Neurosci. 36 (39): 9977–9989. doi:10.1523 / JNEUROSCI.1095-16.2016. PMC  5039263. PMID  27683896.
  40. ^ Kaschula R, Salecker I (2016). „Neuronální výpočty viditelné s subcelulárním rozlišením“. Buňka. 166 (1): 18–20. doi:10.1016 / j.cell.2016.06.022. PMID  27368098.
  41. ^ Cao G, Platisa J, Pieribone VA a kol. (2013). „Geneticky zaměřená optická elektrofyziologie v intaktních nervových obvodech“. Buňka. 154 (4): 904–913. doi:10.1016 / j.cell.2013.07.027. PMC  3874294. PMID  23932121.
  42. ^ Knöpfel T, Gallero-Salas Y, Song C (2015). "Geneticky kódované indikátory napětí pro kortikální zobrazování velkého rozsahu pocházejí z věku". Curr. Opin. Chem. Biol. 27: 75–83. doi:10.1016 / j.cbpa.2015.06.006. PMID  26115448.
  43. ^ Kaestner L, Tian Q, Kaiser E a kol. (2015). „Geneticky zakódované indikátory napětí ve výzkumu oběhu“. Int. J. Mol. Sci. 16 (9): 21626–21642. doi:10,3390 / ijms160921626. PMC  4613271. PMID  26370981.
  44. ^ Zhang, Joe Z .; Termglinchan, Vittavat; Shao, Ning-Yi; Itzhaki, Ilanit; Liu, Chun; Ma, Ning; Tian, ​​Lei; Wang, Vicky Y .; Chang, Alex C. Y .; Guo, Hongchao; Kitani, Tomoya (02.05.2019). „Systém humánních iPSC s dvojitým reportérem umožňuje čištění subpopulací srdeční linie s odlišnou funkcí a profily reakce na léky“. Buňková kmenová buňka. 24 (5): 802–811.e5. doi:10.1016 / j.stem.2019.02.015. ISSN  1934-5909. PMID  30880024.