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Les protéines luminescentes pour les hautes

RésuméL'utilisation de protéines fluorescentes a révolutionné notre compréhension des processus biologiques. Cependant, l'exigence d'un éclairage externe empêche leur application universelle à l'étude des processus biologiques dans tous les tissus. Bien que la lumière puisse être créée par la chimioluminescence, l'émission de lumière provenant des sondes chimioluminescentes existantes est trop faible pour utiliser cette modalité d'imagerie dans les situations où la fluorescence ne peut pas être utilisée. Ici, nous rapportons le développement de la protéine luminescente la plus brillante à ce jour, Nano lantern, qui est une chimère de Renforce luciférase améliorée et Vénus, une protéine fluorescente à haute efficacité de transfert d'énergie de résonance bioluminescence. Nano lantern permet l'imagerie en temps réel de structures intracellulaires dans des cellules vivantes avec une résolution spatiale équivalente à la fluorescence et une détection de tumeur sensible chez des souris sans cures qui se déplacent librement. Nous créons également des indicateurs fonctionnels basés sur Nano lantern qui peuvent imaginer Ca2 +, l'adénosine monophosphate cyclique et la dynamique des triphosphates d'adénosine 5 dans des environnements où l'utilisation d'indicateurs fluorescents n'est pas réalisable. Ces protéines luminescentes permettent la visualisation des phénomènes biologiques au niveau des cellules, des organes et du corps entier précédemment non visibles chez les animaux et les plantes. Introduction Bien que l'imagerie par fluorescence soit largement utilisée, sa dépendance à l'illumination externe empêche son application universelle. Par exemple, l'imagerie par fluorescence ne peut pas être utilisée facilement pour étudier les processus biologiques dépendant de la lumière, tels que la photoréduction visuelle ou la photosynthèse. Bien que l'enregistrement optique de la rétine sensible à la lumière ait été exécuté avec succès en utilisant une excitation de 2 photons avec un laser femtoseconde de 930 nm1, cette méthode n'est pas polyvalente car de nombreuses molécules biologiques ont une absorption significative aux longueurs d'onde visibles et infrarouges2. Par conséquent, les méthodes basées sur la fluorescence à la fois avec 1 photon et une excitation de 2 photons ne peuvent pas toujours être utilisées pour étudier les processus biologiques dépendants de la lumière. En outre, la fluorescence est incompatible avec l'imagerie des tissus profonds non invasifs d'organismes entiers et d'autres applications où le substrat cellulaire est autofluorescent (par exemple, les chloroplastes de plantes photosynthétiques), saturés de photopigments (hépatocytes porphyriques, mélanocytes ou épithélium pigmentaire rétinien) ou extrêmement photosensibles. Des problèmes expérimentaux surviennent également lorsqu'un éclairage externe est nécessaire, comme pour les technologies biologiques telles que l'optogenèse, l'inactivation de la lumière assistée par chromophore et la photolyse des composés en cage, ce qui empêche l'utilisation simultanée de l'imagerie par fluorescence. Enfin, la densité de puissance générale de l'éclairage externe pour la microscopie de cellules vivantes avec fluorescence (sous Wcm2) provoque parfois des effets phototoxiques dans les substrats visualisés, ce qui modifie le comportement cellulaire et mène finalement à la mort cellulaire. En revanche, la chimioluminescence génère un signal lumineux visible grâce à une réaction chimique localisée sans nécessité d'éclairage externe. Parce que les valeurs de kcat de luciférases classiques vont de 0,1 pour la luciférase de luciole (rendement quantique = 0,5) 3 à environ 4,4 pour Renilla luciferase (RLuc) 8 (rendement quantique = 0,r��plique collier trefle van cleef,053) 4, expression transitoire des concentrations micromolaires de luciférases, par exemple RLuc8 , Génère une densité de puissance de la lumière émise qui est 1/103 celle de la densité de puissance générale requise pour l'émission de fluorescence dans l'imagerie des cellules vivantes (environ 0,1 Wcm2). Par conséquent, bien que les protéines chimioluminescentes, y compris l'aequorine et les luciférases, aient été utilisées pour imaginer des cellules vivantes et des organismes 5,6, la production de lumière de ces protéines est insuffisante pour fournir une résolution spatiale et / ou temporelle équivalente à la fluorescence. Dans le cas des organismes lumineux, Tel que la pensée de la mer Renilla reniformis, le problème de la faible luminosité a été résolu dans la nature par le phénomène du transfert d'énergie par résonance bioluminescence (BRET), dans lequel l'énergie excitée d'un substrat luminescent, coelenterazine, liée à RLuc est transférée efficacement de manière intermoleculaire à L'accepteur de protéine fluorescente verte Renilla (rendement quantique = 0,3) par un mécanisme de transfert d'énergie de résonance de Frster (FRET), augmentant ainsi le nombre de photons émis environ six fois7. Sur la base de ce BRET intermoleculaire naturel, des sondes BRET intramoléculaires, telles que l'aequorine GFP8 et BAF Y9, ont été développées. Bien que ces sondes permettent l'imagerie des cellules vivantes avec une résolution améliorée dans l'espace et le temps, elles sont encore sous-performantes par rapport aux sondes à base de protéines fluorescentes en raison de la faible luminosité. Pour résoudre ce problème, nous avons obtenu un RLuc plus lumineux par mutagenèse aléatoire et fusion à une protéine fluorescente jaune (YFP) avec une efficacité BRET élevée. La protéine de fusion a montré une luminescence plus lumineuse que le BAF Y, permettant non seulement l'imagerie en temps réel des structures intracellulaires dans les cellules vivantes, mais aussi la détection de tumeurs sensibles dans une souris qui se déplace librement. De plus, nous avons développé des indicateurs de Ca2 +, de l'adénosine monophosphate cyclique (AMPc) et de l'adénosine 5 triphosphate (ATP) basés sur cette brillante protéine luminescente. Ces indicateurs luminescents permettront la visualisation après le contrôle optique de l'activité cellulaire ou enzymatique au niveau de la cellule unique, des organes et du corps entier chez les animaux et les plantes.RésultatsDesign et application de la protéine lumineuse lumineuse Pour améliorer la luminosité, nous avons conçu une protéine chimère basée sur eBAF Y9 (Note complémentaire 1), qui est une fusion de YFP amélioré et un RLuc amélioré, RLuc8 (4). Étant donné que l'efficacité de BRET, et donc la luminosité, dépend des propriétés photochimiques et physiques du donneur et de l'accepteur, nous avons affiné ces paramètres en améliorant la luminosité des donneurs, en maximisant le chevauchement spectral entre l'émission de donneur et l'absorbance d'accepteur à l'aide de Venus10 et en optimisant l'arrangement spatial du donneur Et accepteur dans la construction de fusion (note complémentaire 1, figure supplémentaire S1 et tableau complémentaire S1). La protéine résultante, que nous appelons Nano lantern, qui rappelle une source de lumière avec une échelle nanométrique (figure 1a), a montré une luminescence de 5,3 et 2,9 fois plus grande que RLuc8 et eBAF Y, respectivement, sur toute la plage d'émission (figure 1b). La luminosité améliorée de Nano lantern devrait générer des densités de puissance dans la gamme de 1Wcm2 (contre 0.1Wcm2 pour RLuc8) suite à une surexpression transitoire dans la gamme micromolaire dans les cellules humaines, et ainsi augmenter le potentiel d'imagerie.Figure 1: Développement de la protéine lumineuse lumineuse Nano lanterne (A) Schéma de la structure de domaine de Nano lantern. Les nombres représentent la position relative d'acide aminé dans la protéine d'origine. (B) Spectres d'émission de quantités équimolaires des protéines luminescentes Nano lantern, VRL10.3, eBAF Y9, RLuc8_S257G, RLuc8 et RLuc. Les mesures des spectres d'émission ont été effectuées au moins en trois exemplaires, et les données moyennes sont indiquées. (C) Imagerie luminescente (gauche) et fluorescence (droite) des cellules HeLa exprimant Nano lanterne ciblées sur le cytoplasme, les mitochondries et l'histone H2B. Les temps d'exposition pour les images de luminescence étaient respectivement 3s, 3s et 1s. Le temps d'exposition pour toutes les images de fluorescence était de 1 s. Le signal de fluorescence de référence a été capturé par Vénus passionnante avec de la lumière à 490 nm. Barres à l'échelle, 50 m. En effet, lorsque Nano lanterne a été exprimée dans des cellules HeLa, une image de luminescence avec une qualité presque comparable à celle des images de fluorescence a été obtenue. La lanterne Nano et les fusions avec des étiquettes de localisation définies ont permis de visualiser les compartiments cellulaires et les organites, tels que le cytoplasme, les mitochondries et le noyau (histone H2B), dans les cellules vivantes en utilisant des lentilles de faible grossissement (objectif X20 sec) avec des expositions brèves et 1 3 s ( Fig. 1c). Nano lantern a également permis de visualiser des structures plus fines, y compris des microfilaments, des microtubules et leurs conseils (EB3) avec une lentille de grossissement élevé (objectif d'immersion d'huile X60) et plus longues, 3 60s, expositions (figure supplémentaire S2). Par conséquent, le signal luminescent amélioré (Wcm2) de Nano lantern permet l'imagerie à haute résolution spatiale jusqu'à au moins le niveau subcellulaire, avec une qualité proche de celle de l'imagerie à base de protéines fluorescentes (FP). En effet, bien que la densité de puissance de la lumière émettrice de Nano lantern reste 1/102 inférieure à celle des émissions générales de fluorescence (à 100Wcm2), la qualité de l'image est définie par le rapport signal / bruit (rapport S / N). Dans l'imagerie par fluorescence, cela est compromis par des niveaux de bruit élevés provenant de la lumière d'excitation parasite et de l'autofluorescence à la fois de l'échantillon et du milieu. Dans l'imagerie chimioluminescente, la qualité ne souffre pas de faible niveau de signal en raison du très faible niveau de bruit. Étant donné que l'éclairage externe n'est pas nécessaire, un rapport S / N adéquat est conservé. À l'heure actuelle, la chimioluminescence est couramment utilisée pour la détection de tumeurs non invasives chez les souris vivantes pour la recherche sur les métastases tumorales et le dépistage anti-cancer11. Une luminescence plus brillante devrait permettre la détection de tumeurs plus petites. En effet, lorsque des lignées cellulaires du colon 26 d'adenocarcinome qui expriment de manière stable Nano lantern ou RLuc8 (colon26 / Nano lantern and colon26 / RLuc8) ont été implantées par voie sous-cutanée chez des souris nues BALB / c (figure 2a) et nous avons détecté seulement 103 cellules exprimant Nano Lantern 1 jour après la transplantation (figure 2b), qui est 1 ordre de grandeur mieux que les tumeurs exprimant RLuc8 (figure 2c). Figure 2: imagerie luminescente de souris avec des tumeurs expriment des lanternes Nano. (A) Position des cellules colon26 exprimant Nano lanterne (Cercles verts) ou RLuc8 (cercles rouges) dans les souris transplantées (vue dorsale). (B, d) Des images luminescentes représentatives des nombres indiqués de cellules injectées à 600s (b) et 1s expositions (d). (C) Comparaison dans des unités de lumière relative (RLU, pixels intégrés par s) de 1 107 cellules de colon26 / RLuc8 et Nano lantern. sont indiqués. (E) Cadres consécutifs d'images de taux vidéo de lanternes Nano exprimant des cellules tumorales dans une souris non rasée. Le signal luminescent tous les 60ms est montré en vert dans les images fixes et comme une série de pseudo-couleurs (bleu, cyan, vert, jaune, rouge et magenta) dans l'image fusionnée. Barres à l'échelle, 1 cm. La luminosité accrue de la lanterne Nano permettait l'imagerie de 105 et 106 cellules à des taux d'échantillonnage de 0,1 et 1 Hz, respectivement (figure 2d). De manière surprenante, nous pourrions même obtenir une image vidéo (30Hz) d'images des tumeurs 17 jours après l'implantation de 106 cellules tumorales dans des souris sans ailettes qui se déplacent librement (figure 2e et film supplémentaire 1). Dans les précédents rapports d'imagerie de cellules tumorales luminescentes chez des souris non anesthésiées12, les images réussies n'étaient obtenues qu'avec des souris nues, des échantillons de tumeurs plus vastes et des temps d'exposition prolongés (160 ou 200 contre 33 ms dans ce rapport). Une augmentation de la sensibilité et une imagerie plus rapide sans besoin d'anesthésie à l'aide de Nano lantern facilite grandement l'analyse de la croissance tumorale et des métastases chez les animaux vivants. Les indicateurs fonctionnels basés sur Nano lanternHaving ont démontré l'avantage des propriétés luminescentes améliorées de Nano lantern, la résolution spatiale micrométrique dans les cellules vivantes Et une meilleure résolution de la tumeur chez les animaux entiers, nous avons cherché à développer des indicateurs fonctionnels pour les molécules bioactives telles que le Ca2 +, l'AMPc et l'ATP à base de Nano lantern. Jusqu'à présent, deux types d'indices fonctionnels basés sur la chimioluminescence ont été rapportés; On utilise la complémentation de la luciférase fractionnée (CSL), dans laquelle la molécule de luciférase est divisée, une partie étant fusionnée au domaine du capteur d'une molécule bioactive et l'autre à un peptide qui lie le domaine du capteur. Ce type d'indicateur émet un signal lors de la reconstitution médiée par la molécule bioactive de la luciférase fractionnée13. L'autre utilise un indicateur basé sur BRET composé du domaine du capteur d'une molécule bioactive flanquée d'un donneur chimioluminescent intact et d'un accepteur fluorescent, dans ce cas, une réponse cellulaire est détectée comme une modification de l'efficacité BRET14. Bien que les indicateurs de type CSL aient un changement de signal plus important, leur intensité absolue est souvent trop faible pour être imagée. À l'inverse, les indicateurs de type basés sur BRET ont une intensité de signal suffisante pour l'imagerie; Cependant, son changement de signal sur la liaison de la molécule cible est généralement faible. Pour surmonter ces inconvénients, nous avons cherché à insérer un domaine de capteur dans Nano lantern pour créer un indicateur CSL / BRET hybride qui présenterait un changement de signal avec une intensité suffisante pour l'imagerie (Fig. Supplémentaire S3a). Un indicateur Ca2 + basé sur Nano lanternDans le roman Approche hybride, nous avons d'abord cherché à développer un indicateur Nano lantern pour Ca2 +, l'un des plus importants des deuxièmes messagers dans les cellules vivantes. Nous avons cloné le domaine de détection de Ca2 + (CaM M13) du cameleon jaune, un indicateur établi de Ca2 + basé sur FRET15, et cherché le site d'insertion optimal dans la lanterne Nano qui produirait un grand changement de signal et préserverait les émissions de haute intensité. D'autres propriétés importantes, y compris l'affinité au Ca2 + et la réversibilité de l'activité catalytique de la luciférase, ont également été examinées. En fin de compte, sur les sites testés, nous avons constaté que les insertions dans la boucle non structurale Gly228 / Gly229 dans RLuc8 qui relie les domaines de l'hydrolase et du bouchon étaient bien tolérées (Fig. Supplémentaire S3b et Note complémentaire 2). La construction résultante, nommée Nano lantern (Ca2 +), a montré un changement de signal de 300% à une luminosité de 35% de la protéine parentale aux concentrations de Ca2 + saturées (figure 3a). Les affinités Ca2 + de Nano lantern (Ca2 +) et ses dérivés (Schéma complémentaire S4 et Tableau complémentaire S2) étaient presque identiques à ceux de la série de couches virées jaunes parentales, ce qui suggère que la reconstitution de Rluc8 fractionné dans Nano lantern (Ca2 +) n'a pas entravé Le changement de conformation induite par Ca2 + dans le domaine CaM M13 (note complémentaire 2). sont indiqués. (C) Une série d'images du rapport pseudo-coloré des cellules HeLa exprimant Nano lantern (Ca2 +) prises à la vitesse vidéo,prix collier alhambra van cleef r��plique, après stimulation de l'histamine. Bar à l'échelle, 10 m. (D) Durée du changement de ratio L / L0 à un retour sur investissement (case blanche en (c)) dans une lanterne Nano Lan Lan (Ca2 +) HeLa. Le numéro indique le point de temps de chaque image dans (c). Les données représentatives d'au moins cinq expériences sont indiquées en (d) et (e). (E) Un temps typique du changement de ratio spatial L / L0 dans les ROI (cyan, magenta et jaune cases dans (c)) dans une autre cellule HeLa. (F) Temps de changement du rapport L / L0 dans un neurone hippocampeux de rat co exaltant Nano lantern (Ca2 +) avec le ChR2. ChR2 a été activé à plusieurs reprises dans les sessions d'illumination (2s), consistant en 15 cycles d'exposition de la caméra (100ms) et des impulsions de lumière bleue (0.8ms) qui ont été livrées pendant les périodes (30ms) lorsque l'exposition de la caméra était éteinte. Les chiffres indiquent les points de temps de chaque image dans (g). Les données représentatives de cinq mesures sont affichées. (G) Une série d'images du rapport pseudo-coloré d'un neurone hippocampeux de rat qui exprime la lanterne Nano (Ca2 +). Barre d'échelle, 10m. Pour comparer les performances de cet indicateur Ca2 + à une norme connue, nous avons exprimé Nano lantern (Ca2 +) dans les cellules HeLa. À la suite d'une stimulation avec l'histamine 10M, une pointe aiguë de Ca2 + (S / N = 70) suivie d'oscillations Ca2 + avec des amplitudes plus petites (S / N = 29) a été détectée avec un taux d'échantillonnage aussi rapide que 30 Hz (figure 3c). On pourrait même observer la propagation d'une onde cytoplasmique Ca2 + d'une extrémité de la cellule à l'autre,faux collier van cleef, comme on l'a déjà observé en utilisant le cameleon jaune 15 (figure 3e et film complémentaire 2). Les oscillations Ca2 + induites par l'histaminine ont été supprimées par l'addition de l'antagoniste du récepteur de l'histamine cyproheptadine, confirmant que le changement du signal luminescent reflète les changements dans le cytoplasme [Ca2 +] (figure supplémentaire S5). Les indicateurs antérieurs de Ca2 + basés sur CSL13 n'étaient pas totalement réversibles en réponse à la libération de Ca2 + physiologique ou stimulée. Nous avons confirmé par imagerie Nano lantern (Ca2 +) avec R GECO116 que la cinétique de Nano lantern (Ca2 +) est parallèle à celle des sondes à base de fluorescence (figure supplémentaire S6). De manière encourageante, Nano lantern (Ca2 +), exprimé dans des neurones d'hippocampe de rat dissociés (figure supplémentaire S7), et imagé à 10 Hz, pourrait signaler des pics cytoplasmiques [Ca2 +] spontanés et des changements transitoires (Ca2 +) dus à une stimulation réversible (50 mM KCl). Pour réaliser l'avantage théorique de l'imagerie Ca2 + à l'aide de sondes de luminescence sur des indicateurs basés sur la fluorescence, nous avons réalisé une imagerie Ca2 + combinée au contrôle de l'activité neuronale à l'aide d'outils opto-génétiques. L'expression ectopique des protéines photoréceptrices, telles que l'halorhodopsine et la canalrhodopsine2 (ChR2), a permis l'analyse fonctionnelle des cellules neuronales et de leurs réseaux avec la résolution du temps ms17. Pourtant, ces outils sont spectralement incompatibles avec les indicateurs Ca2 + fluorescents. La lumière d'excitation peut être utilisée soit pour contrôler le photorécepteur, soit pour mesurer le transitoire Ca2 +, mais pas pour les deux dans la même cellule en même temps. Parce que l'imagerie de luminescence peut être effectuée en l'absence de lumière externe, elle peut être associée à une stratégie opto-génétique sans interférence indésirable due à l'activité du photorécepteur. Pour démontrer cela, nous avons exprimé Nano lantern (Ca2 +) et ChR2 dans des neurones d'hippocampe de rat dissociés. Le signal luminescent a été imaginé tous les 100ms et ChR2 a été activé avec une impulsion de 0,8 ms de lumière bleue (438nm) pendant le temps mort de la puce CCD pour le transfert de données18. En réponse à 15 cycles de lumière d'activation,collier van cleef and arpels r��plique, une augmentation rapide a été observée dans le signal luminescent (figure 3f et film supplémentaire 3). Nous avons également détecté une diminution progressive du signal au niveau basal lorsque l'illumination a été terminée. La consommation catalytique du substrat (coelenterazine h) entraîne une diminution progressive de la ligne de base et de l'amplitude des transitoires. Ces résultats suggèrent que ces outils de neurobiologie synergiques peuvent maintenant être combinés en une seule approche expérimentale. À l'avenir, il est possible également de combiner d'autres systèmes de contrôle optique, tels que l'inactivation de la lumière assistée par chromophore des molécules cibles19 et la photolyse des composés en cage20, avec des indicateurs fonctionnels luminescents. Indicateurs améliorés d'AMPc basés sur Nano lanternImaging AMPc intracellulaire, un autre second messenger important , L'utilisation d'indicateurs fluorescents a été difficile en raison du faible changement de signal (1 15%) avec les indicateurs actuels basés sur FP 21,22,23. Pour examiner si la stratégie hybride CSL / BRET pourrait être appliquée pour construire un indicateur d'AMPc haute performance, nous avons cloné une série de motifs de liaison AMPc de la sous-unité régulatrice PKA ou EPAC1, dans Nano lantern au poste 228/229 (similaire à Nano Lanterne (Ca2 +)) (figure supplémentaire S8a). Les protéines recombinantes ont été purifiées et criblées pour des changements d'intensité en réponse à l'AMPc. Parmi les neuf constructions testées, trois motifs de reconnaissance d'AMPc ont donné un changement de signal important avec des affinités distinctes d'AMPc (Kd = 0,4, 1,6 et 3,3M) et une de ces trois lanternes Nano contenant un fragment d'EPAC1 (G170 à A327 avec Q270E) , Que nous avons appelé Nano lantern (cAMP1.6) (de son Kd), a montré la plus grande augmentation du signal (130%) lors de la stimulation AMPc (figure 4a, figure supplémentaire S8b d et note complémentaire 3). En revanche, les indicateurs basés sur FRET avec un domaine de reconnaissance d'AMPc identique n'ont montré qu'un petit changement de signal (11,7% pour les constructions basées sur le CFP / YFP, la Figure supplémentaire S8e et la Note complémentaire 3). Figure 4: Développement d'un indicateur AMC luminescent à la lanterne Nano . (A) Schéma de la structure de domaine de Nano lantern (cAMP). (B) Brillance relative de la lanterne Nano recombinante et de la lanterne Nano (AMPc) avec ou sans cAMP. sont indiqués. (C) Une image AMPc de 100 000 cellules D. discoideum exprimant Nano lantern (cAMP1.6) pendant la morphogenèse agrégée. Barre d'échelle, 1mm. (D) L'espace et le temps parcourent les lignes jaunes indiquées en (c) pendant 60 minutes. (E) Durée du changement d'intensité de la luminescence aux ROI indiqués en (c). Ce sont des données typiques à partir de cinq mesures. Pour examiner la capacité de Nano lantern (cAMP1.6) à détecter les changements intracellulaires de la concentration d'AMPc, nous avons utilisé les cellules Dictyostelium discoideum car la concentration cytoplasmique d'AMPc (ci-après [AMPc]) dans les cellules Dictyostelium augmente en réponse à l'extracellulaire Stimulation AMPc24,25, ce qui augmente indirectement [cAMP] thRugueuse

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By sdjisafhshfuk
Added Aug 6 '17

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