Visualisation de la protéine Kinase Une activité chez des souris à behaving à l'aide de la microscopie d'imagerie à deux photons in vivo fluorescence à vie

La neuromodulation, également connue sous le nom de transmission synaptique lente, impose un contrôle fort sur la fonction cérébrale pendant différents états comportementaux, tels que le stress, l’excitation, l’attention, et la locomotion^{1,2,3, 4}. Malgré son importance, l’étude du moment et de l’endroit où se déroulent les événements neuromodulatoires en est encore à ses balbutiements. Les neuromodulateurs, y compris l’acétylcholine, la dopamine, la noradrénaline, la sérotonine et de nombreux neuropeptides, activent les récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), qui déclenchent à leur tour des voies intracellulaires de deuxième messager avec une large fenêtre d’échelles de temps allant de secondes à quelques heures. Tandis que chaque neuromodulateur déclenche un ensemble distinct d’événements de signalisation, la voie de kinase A de cAMP/protéine est une voie en aval commune pour beaucoup de neuromodulators^1,5. La voie cAMP/PKA régule l’excitabilité neuronale, la transmission synaptique et la plasticité^6,7,8,9, et donc, accorde la dynamique neuronale du réseau. Étant donné que différents neurones ou types neuronaux expriment différents types ou niveaux de récepteurs neuromodulateurs¹⁰, les effets intracellulaires du même neuromodulateur extracellulaire peuvent être hétérogènes à travers différents neurones, et doivent donc être avec résolution cellulaire. À ce jour, il reste difficile de surveiller les événements neuromodulatoires dans les neurones individuels in vivo pendant le comportement.

Pour étudier la dynamique spatiotemporale de la neuromodulation, une modalité appropriée d’enregistrement est exigée. La microdialyse et la voltamétrie cyclique à balayage rapide sont fréquemment utilisées pour étudier la libération des neuromodulateurs, mais ils n’ont pas la résolution spatiale pour surveiller les événements cellulaires^11,12. Analogue à la dynamique du calcium utilisé comme un proxy pour l’activité électrique neuronale dans l’imagerie de la population¹³, pDJ peut être utilisé pour lire les événements neuromodulatoires à travers une population neuronale à la résolution cellulaire. Le protocole actuel décrit l’utilisation d’un journaliste d’activité A-kinase amélioré (AKAR) pour surveiller les activités De PKA in vivo pendant le comportement animal. La méthode décrite ici permet l’imagerie simultanée des populations neuronales à la résolution subcellulaire avec une résolution temporelle qui suit les événements neuromodulatoires physiologiques.

Les AKAR sont composés d’un donneur et d’un accepteur de protéines fluorescentes reliées par un peptide de substrat de phosphorylation PKA et d’un domaine associé à la tête de fourchette (FHA) qui se lie à la sérine phosphorylée ou à la thréonine du substrat^14,15. Lors de l’activation de la voie PKA, le peptide de substrat d’AKAR est phosphorylé. En conséquence, le domaine FHA se lie au peptide phosphorylé de substrat, amenant de ce fait les deux fluorophores à proximité, dénommé l’état fermé d’AKAR. L’état fermé d’un AKAR phosphorylé entraîne une augmentation du transfert d’énergie par résonance (FRET) entre le donneur et les fluorophores accepteurs. Étant donné que la proportion d’AKAR phosphorylés est liée au niveau d’activité PKA¹⁶, la quantité de FRET dans un échantillon biologique peut être utilisée pour quantifier le niveau d’activité PKA^{16,17,18, 19,20}.

Les premières versions des RLA ont été principalement conçues pour l’imagerie ratiométrique à deux couleurs¹⁴. Lors de l’imagerie plus profondément dans le tissu cérébral, la méthode ratiométrique souffre de distorsion du signal due à la diffusion de la lumière dépendante de la longueur d’onde^17,18,21. Comme nous l’avons vu ci-dessous, la microscopie d’imagerie à vie par fluorescence (FLIM) élimine ce problème parce que la FLIM ne mesure que les photons émis par le fluorophore du donneur^18,21. En conséquence, la quantification FLIM de FRET n’est pas affectée par la profondeur tissulaire¹⁷. En outre, une variante « foncée » (c.-à-d. faible rendement quantique [QY]) du fluorophore accepteur peut être utilisée. Cela libère un canal de couleur pour faciliter la mesure multiplexée des propriétés neuronales orthogonales par l’imagerie simultanée d’un deuxième capteur ou d’un marqueur morphologique^17,19,20.

L’imagerie FLIM quantifie le temps qu’un fluorophore passe dans l’état excité, c’est-à-dire la durée de vie de la fluorescence¹⁸. Le retour d’un fluorophore à l’état de sol, donc la fin de l’état excité, se concomite souvent avec l’émission d’un photon. Bien que l’émission d’un photon pour une molécule excitée individuelle soit stochastique, dans une population la durée de vie moyenne de fluorescence est une caractéristique de ce fluorophore particulier. Quand une population pure de fluorophores sont excitées simultanément, la fluorescence résultante suivra une seule décomposition exponentielle. La constante temporelle de cette carie exponentielle correspond à la durée de vie moyenne de la fluorescence, qui varie généralement de une à quatre nanosecondes pour les protéines fluorescentes. Le retour d’un fluorophore donneur excité à l’état du sol peut également se produire par FRET. En présence de FRET, la durée de vie de fluorescence du fluorophore donneur est réduite. Les AKAR non phosphorylés présentent une durée de vie relativement plus longue de fluorescence des donneurs. Lors de la phosphorylation par PKA, le capteur montre une durée de vie plus courte parce que le donneur et les fluorophores accepteurs sont amenés près de l’autre et FRET est augmenté. La quantification de la durée de vie de la fluorescence dans une population d’AKAR représente donc le niveau d’activité de la PKA.

Les premières versions des RCR n’ont pas été utilisées avec succès pour l’imagerie in vivo à résolution monocellulaire. Cela est principalement dû à l’amplitude du signal faible des capteurs AKAR aux activations physiologiques¹⁷. Récemment, en comparant systématiquement les capteurs AKAR disponibles pour la microscopie d’imagerie à vie à deux photons (2pFLIM), un capteur appelé FLIM-AKAR a été trouvé pour surpasser les capteurs alternatifs. En outre, une série de variantes FLIM-AKAR appelées AKAR ciblées (tAKARs) ont été développées pour visualiser l’activité de La PKA à des endroits sous-cellulaires spécifiques : microtubules (tAKARMD), cytosol (tAKARMD), actine (tAKARMD), actine filamentuse (tAKARMD), membrane (tAKARMD), et la densité postsynaptique (tAKAR- ). Parmi les tAKAR, le tAKARMD a multiplié par 2,7 l’amplitude du signal obtenue par la noradrénaline. Ceci est compatible avec la connaissance que la majorité de PKA dans les neurones sont ancrés aux microtubules à l’état de repos^22,23. tAKAR a été le meilleur performer parmi les AKAR existants pour 2pFLIM. En outre, tAKARMD a détecté l’activité physiologiquement pertinente de PKA obtenue par les neuromodulators multiples, et l’expression de tAKAR mD n’a pas modifié des fonctions neuronales¹⁷.

Récemment, tAKAR a été utilisé avec succès pour visualiser les activités PKA chez les souris de comportement fixes à la tête¹⁷. Il a été démontré que la locomotion forcée déclenchait l’activité de la PKA dans le soma des neurones de couche superficielle (couche 1 à 3, jusqu’à une profondeur de 300 m de pia) dans le moteur, le baril et les cortices visuels. L’activité de PKA locomotion-déclenchée a été en partie dépendante de la signalisation par l’intermédiaire des récepteurs adrénergiques et des récepteurs de dopamine d’A1, mais n’a pas été affectée par un antagoniste de récepteur de dopamine de D2. Ce travail illustre la capacité des tAKARs à suivre les événements de neuromodulation in vivo à l’aide de 2pFLIM.

Dans le protocole actuel, la méthode entière pour l’imagerie d’activité de PKA dans les souris éveillées tête-fixes pendant un paradigme forcé de locomotion est décrite en six étapes. Tout d’abord, l’ajout de capacités 2pFLIM à un microscope conventionnel à deux photons (figure 1). Deuxièmement, la construction d’un tapis roulant motorisé (figure 2). Troisièmement, l’expression du capteur tAKARMD dans le cortex de la souris par électroporation in utero (IUE) des plasmides d’ADN, ou injection stéréotaxique du virus adéno-associé (AAV). D’excellents protocoles pour les chirurgies pour IUE^24,25 et l’injection stéréotaxique de particules virales²⁶ ont été précédemment publiés. Les paramètres clés que nous avons utilisés sont décrits ci-dessous. Forth, l’installation d’une fenêtre crânienne. D’excellents protocoles ont déjà été publiés pour la chirurgie de fenêtre crânienne^27,28. Plusieurs étapes qui ont été modifiées à partir des protocoles standard sont décrites. Cinquième, effectuer in vivo 2pFLIM. Sixièmement, les analyses des images 2pFLIM (figure3 et figure 4). Cette approche devrait être facilement applicable à beaucoup d’autres paradigmes comportementaux et zones cérébrales fixés à la tête.