Visualisierung der Proteinkinase Eine Aktivität bei kopffixierten Behaving Mäusen mit In Vivo Zweiphotonen fluoreszenz Lifetime Imaging Microscopy

Neuromodulation, auch bekannt als langsame synaptische Übertragung, erzwingt eine starke Kontrolle über die Gehirnfunktion während verschiedener Verhaltenszustände, wie Stress, Erregung, Aufmerksamkeit, und Fortbewegung^{1,2,3, 4}. Trotz seiner Bedeutung steckt die Untersuchung, wann und wo neuromodulatorische Ereignisse stattfinden, noch in den Kinderschuhen. Neuromodulatoren, einschließlich Acetylcholin, Dopamin, Noradrenalin, Serotonin und viele Neuropeptide, aktivieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), die wiederum intrazelluläre zweite Botenwege mit einem breiten Zeitskala-Spektrum auslösen von Sekunden bis Stunden. Während jeder Neuromodulator eine reihe von Signalereignissen auslöst, ist der cAMP/Proteinkinase A (PKA) Signalweg ein gemeinsamer downstreamer Weg für viele Neuromodulatoren^1,5. Der cAMP/PKA-Signalweg reguliert die neuronale Erregbarkeit, synaptische Übertragung und Plastizität^6,7,8,9, und stimmt daher die neuronale Netzwerkdynamik an. Da verschiedene Neuronen oder neuronale Typen unterschiedliche Typen oder Ebenen von Neuromodulatorrezeptorrezeptoren¹⁰ausdrücken, können die intrazellulären Wirkungen desselben extrazellulären Neuromodulators über verschiedene Neuronen hinweg heterogen sein und müssen daher mit zellulärer Auflösung untersucht. Bis heute, Es bleibt schwierig, neuromodulatorische Ereignisse in einzelnen Neuronen in vivo während des Verhaltens zu überwachen.

Um die raumzeitliche Dynamik der Neuromodulation zu untersuchen, ist eine geeignete Aufzeichnungsmodalität erforderlich. Mikrodialyse und schnell-scanzyklische Voltammetrie werden häufig verwendet, um die Freisetzung von Neuromodulatoren zu untersuchen, aber sie haben keine räumliche Auflösung, um zelluläre Ereignisse zu überwachen^11,12. Analog zu Kalzium-Dynamik als Proxy für neuronale elektrische Aktivität in der Population Bildgebung verwendet werden^13,PKA-Bildgebung kann verwendet werden, um neuromodulatorische Ereignisse über eine neuronale Bevölkerung bei zellulärer Auflösung auszulesen. Das vorliegende Protokoll beschreibt die Verwendung eines verbesserten A-Kinase-Aktivitätsreporters (AKAR), um PKA-Aktivitäten in vivo während des Verhaltens von Tieren zu überwachen. Die hier beschriebene Methode ermöglicht die gleichzeitige Bildgebung neuronaler Populationen mit subzellulärer Auflösung mit einer zeitlichen Auflösung, die physiologische neuromodulatorische Ereignisse nachverfolgt.

AKARs bestehen aus einem Spender und einem Akzeptor fluoreszierenden Proteinen, die durch ein PKA-Phosphorylierungssubstratpeptid und eine Gabelkopf-assoziierte Domäne (FHA) miteinander verbunden sind, die an das phosphorylierte Serin oder Threonin des Substrats^14,15bindet. Bei Aktivierung des PKA-Signalwegs wird das Substratpeptid von AKAR phosphoryliert. Dadurch bindet die FHA-Domäne an das phosphorylierte Substratpeptid und bringt so die beiden Fluorophore in die Nähe, die als geschlossener Zustand von AKAR bezeichnet werden. Der geschlossene Zustand eines phosphorylierten AKAR führt zu einer erhöhten Förster-Resonanzenergieübertragung (FRET) zwischen Spender und Akzeptorfluorophoren. Da der Anteil der phosphorylierten AKARs mit dem Niveau der PKA-Aktivität¹⁶zusammenhängt, kann die Menge an FRET in einer biologischen Probe verwendet werden, um das Niveau der PKA-Aktivität^{16,17,18, 19,20}.

Frühe Versionen von AKARs wurden in erster Linie für zweifarbige ratiometrische Bildgebung¹⁴entwickelt. Bei der Tieferung der Bildgebung in das Hirngewebe leidet die ratiometrische Methode unter Signalverzerrungen durch wellenlängenabhängige Lichtstreuung^17,18,21. Wie unten erläutert, beseitigt die Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildgebungsmikroskopie (FLIM) dieses Problem, da FLIM nur Photonen misst, die vom Spenderfluorophor^18,21emittiert werden. Daher ist die FLIM-Quantifizierung von FRET nicht von der Gewebetiefe¹⁷betroffen. Darüber hinaus kann eine “dunkle” (d.h. niedrige Quantenausbeute [QY]) Variante des Akzeptorfluorophors verwendet werden. Dies befreit einen Farbkanal, um die Multiplexmessung orthogonaler neuronaler Eigenschaften durch gleichzeitige Abbildung eines zweiten Sensors oder eines morphologischen Markers^17,19,20zu erleichtern.

FLIM Imaging quantifiziert die Zeit, die ein Fluorophor im angeregten Zustand verbringt, d.h. die Fluoreszenzlebensdauer¹⁸. Die Rückkehr eines Fluorophors in den Bodenzustand, also das Ende des aufgeregten Zustandes, koncomitiert oft mit der Emission eines Photons. Obwohl die Emission eines Photons für ein einzelnes angeregtes Molekül stochastisch ist, ist in einer Population die mittlere Fluoreszenzlebensdauer ein Merkmal dieses bestimmten Fluorophors. Wenn eine reine Population von Fluorophoren gleichzeitig angeregt wird, folgt die resultierende Fluoreszenz einem einzigen exponentiellen Zerfall. Die Zeitkonstante dieses exponentiellen Zerfalls entspricht der mittleren Fluoreszenzlebensdauer, die bei fluoreszierenden Proteinen in der Regel zwischen einer und vier Nanosekunden liegt. Die Rückkehr eines angeregten Spenderfluorophors in den Bodenzustand kann auch durch FRET erfolgen. In Gegenwart von FRET wird die Fluoreszenzlebensdauer des Spenderfluorophors reduziert. Die nichtphosphorylierten AKARs weisen eine relativ längere Spenderfluoreszenzlebensdauer auf. Nach der Phosphorylierung durch PKA weist der Sensor eine kürzere Lebensdauer auf, da Spender- und Akzeptorfluorophore nahe beieinander gebracht werden und FRET erhöht wird. Die Quantifizierung der Fluoreszenzlebensdauer in einer Population von AKARs stellt daher das Niveau der PKA-Aktivität dar.

Frühe Versionen von AKARs wurden nicht erfolgreich für die In-vivo-Bildgebung bei einzelliger Auflösung eingesetzt. Dies ist vor allem auf die geringe Signalamplitude der AKAR-Sensoren zu physiologischen Aktivierungen¹⁷zurückzuführen. Kürzlich wurde durch den systematischen Vergleich verfügbarer AKAR-Sensoren für die zweiphotonenfluoreszenzspezifische Mikroskopie (2pFLIM) ein Sensor namens FLIM-AKAR gefunden, der alternative Sensoren übertrifft. Darüber hinaus wurde eine Reihe von FLIM-AKAR-Varianten, die als gezielte AKARs (tAKARs) bezeichnet werden, entwickelt, um die PKA-Aktivität an bestimmten subzellulären Standorten zu visualisieren: Mikrotubuli (tAKAR), Cytosol (tAKAR), Actin (tAKAR), fadenförmiges Actin (tAKAR), Membran (tAKAR), postsynaptische Dichte (tAKAR). Bei den tAKARs erhöhte tAKAR die Signalamplitude, die durch Noradrenalin ausgelöst wurde, um das 2,7-fache. Dies steht im Einklang mit dem Wissen, dass die Mehrheit der PKA in Neuronen in Mikrotubuli im Ruhezustand verankert sind^22,23. tAKAR war der beste Performer unter den bestehenden AKARs für 2pFLIM. Darüber hinaus erkannte tAKAR-Funktion physiologisch relevante PKA-Aktivität, die von mehreren Neuromodulatoren ausgelöst wurde, und die Expression von tAKAR-Funktion verändert enden keine neuronalen Funktionen¹⁷.

Kürzlich wurde tAKAR- erfolgreich eingesetzt, um PKA-Aktivitäten bei kopffixierten Benahmemäusen¹⁷zu visualisieren. Es wurde gezeigt, dass erzwungene Fortbewegung DIE PKA-Aktivität im Soma der oberflächlichen Schichtneuronen (Schicht 1 bis 3, bis zu einer Tiefe von 300 m von Pia) im Motor, Fass und visuellen Kortiken auslöste. Die durch Fortbewegung ausgelöste PKA-Aktivität war zum Teil von der Signalisierung über adrenerge Rezeptoren und D1-Dopamin-Rezeptoren abhängig, wurde aber nicht von einem D2-Dopamin-Rezeptor-Antagonisten beeinflusst. Diese Arbeit veranschaulicht die Fähigkeit von tAKARs, Neuromodulationsereignisse in vivo mit 2pFLIM zu verfolgen.

Im aktuellen Protokoll wird die gesamte Methode zur PKA-Aktivitätsbildgebung bei kopffesten Wachmäusen während eines erzwungenen Fortbewegungsparadigmas in sechs Schritten beschrieben. Erstens, die Hinzufügung von 2pFLIM-Fähigkeiten zu einem herkömmlichen Zwei-Photon-Mikroskop (Abbildung 1). Zweitens der Bau eines motorisierten Laufbandes (Abbildung 2). Drittens, die Expression des tAKAR-Sensors im Mauskortex durch Utero-Elektroporation (IUE) von DNA-Plasmiden oder stereotaxic-Injektion des Adeno-assoziierten Virus (AAV). Ausgezeichnete Protokolle für Operationen für IUE^24,25 und stereotaxic Injektion von Viruspartikeln²⁶ wurden bereits veröffentlicht. Die wichtigsten Parameter, die wir verwendet haben, werden unten beschrieben. Forth, die Installation eines Schädelfensters. Ausgezeichnete Protokolle wurden bereits für die Schädelfensterchirurgie veröffentlicht^27,28. Es werden mehrere Schritte beschrieben, die aus den Standardprotokollen geändert wurden. Fünftens, Durchführung in vivo 2pFLIM. Sechstens, die Analysen von 2pFLIM-Bildern (Abbildung 3 und Abbildung 4). Dieser Ansatz sollte leicht auf viele andere kopffixierte Verhaltensparadigmen und Gehirnbereiche anwendbar sein.