생체 내에서 처리되는 신경 칼슘의 세포 내 이미징

칼슘 이온(^Ca2+)은 많은 세포 유형에서 매우 다재다능한 정보 전달체입니다. 뉴런에서,^Ca2+는 신경전달물질의 활성-의존적 방출, 세포골격 운동성의 조절, 대사 과정의 미세 조정, 그리고 적절한 뉴런 유지와 기능에 필요한 다른 많은 기전을 담당한다 ^1,2. 효과적인 세포내 신호전달을 보장하기 위해, 뉴런은 세포질에서 낮은 기저 Ca²⁺ 수준을 유지해야 한다³. 이것은 소포체(ER) 및 미토콘드리아와 같은 세포 기관으로의 Ca²⁺ 흡수를 포함하는 협력적 Ca²⁺ 처리 메커니즘에 의해 달성됩니다. 이러한 과정은, 원형질막에서 Ca2+-투과성 이온 채널의 배열에 더하여, 뉴런 전체에 걸쳐 이질적인 수준의 세포질^Ca2+를 초래한다.

휴지기 및 뉴런 활성화 동안 Ca2+ 이질성은^Ca2+-의존적 메카니즘의 다양한, 위치-특이적^{조절을 허용}한다1. ^Ca2+의 농도-특이적 효과의 한 예는 이노시톨 1,4,5-삼인산(InsP3) 수용체를 통해 ER로부터^Ca2+의 방출이다. _InsP3와 조합된 낮은 Ca²⁺ 수준은 수용체의 칼슘 투과성 기공을 여는 데 필요합니다. 대안적으로, 높은^Ca2+ 수준은 수용체⁴를 직접 및 간접적으로 억제한다. 적절한 뉴런 기능을 위한 Ca2+ 항상성의 중요성은 세포내^Ca2+ 처리 및 신호전달의 중단이 신경퇴행성 장애 및 자연노화의 발병기전의 초기 단계임을 시사하는 증거에 의해 뒷받침된다 ^5,6. 특히, ER 및 미토콘드리아에 의한 비정상적인 Ca²⁺ 흡수 및 방출은 알츠하이머병, 파킨슨병 및 헌팅턴병에서 뉴런 기능 장애의 발병과 관련이 있다 ^6,7.

자연 노화 또는 신경변성 동안 Ca2+ 항상성 이상에 대한 연구는 천연 세포 구조(즉, 시냅스의 배열 및 이온 채널의 분포)가 유지되는 살아 있는 온전한 유기체에서 세포하 분해능을 갖는^Ca2+ 수준의 종단적 관찰을 필요로 한다. 이를 위해, 이 프로토콜은 높은 공간 및 시간 분해능으로 생체 내에서 ^Ca2+ 역학을 기록하기 위해 쉽게 이용가능한, 유전적으로 인코딩된 2^{개의 Ca2+} 센서의 사용에 대한 지침을 제공한다. 예쁜꼬마선충(C. elegans)에 기술된 방법을 사용하여 얻은 대표적인 결과는 단일 뉴런의 세포질 또는 미토콘드리아 기질에서^Ca2+ 지표의 발현이 단일 척추 유사 구조 및 개별 미토콘드리아 내에서 Ca²⁺ 수준을 식별하는 추가 능력과 함께 Ca²⁺ 역학을 설명하는 형광 이미지(최대 50Hz)의 신속한 획득을 허용할 수 있는 방법을 보여줍니다.