Drosophila Embriyolarında Epitelyal Gerginliğin Ölçümü ile Birlikte Rho1 Aracılı Aktomiyosin Kontraktilitesinin Optogenetik İnhibisyonu

Kassız miyozin II’nin (bundan böyle ‘miyozin’ olarak anılacaktır) F-aktin ağına uyguladığı kasılma kuvveti olan aktomiyosin kontraktilitesi, hücre şeklini değiştirmede ve doku düzeyinde morfogenezi^{yönlendirmede en} önemli kuvvetlerden biridir ^1,2. Örneğin, epitel hücrelerinin apikal alanında aktomiyosin kontraktilitesinin aktivasyonu, epitel katlanması, hücre ekstrüzyonu, delaminasyon ve yara iyileşmesi dahil olmak üzere çeşitli morfogenetik süreçleri kolaylaştıran apikal daralma ile sonuçlanır 3,4,5,6,7 . Miyozinin aktivasyonu, düzenleyici hafif zincirinin fosforilasyonunu gerektirir. Bu modifikasyon, miyozin moleküllerinin inhibitör konformasyonunu hafifleterek, her iki uçta birden fazla baş alanına sahip bipolar miyozin filament demetleri oluşturmalarına izin verir. Bipolar miyozin filamentleri, aktin filamentlerinin anti-paralel hareketini yönlendirir ve kasılma kuvveti ^1,8,9 oluşumuna neden olur.

Evrimsel olarak korunmuş Rho ailesi küçük GTPase RhoA (Drosophila’da Rho1), çeşitli hücresel bağlamlarda aktomiyosin kontraktilitesinin aktivasyonunda merkezi bir rol oynar^10,11. Rho1, GTP’yi (aktif form) veya GDP’yi (aktif olmayan form) bağlayarak bimoleküler bir anahtar olarak işlev ^görür12. GTP’ye veya GDP’ye bağlı Rho1 arasındaki döngü, GTPaz aktive edici proteinleri (GAP’ler) ve guanin nükleotid değişim faktörleri (GEF’ler) tarafından ^{düzenlenir13}. GEF’ler, GSYİH’nın GTP ile değişimini kolaylaştırma ve böylece Rho1 aktivitesini etkinleştirme işlevi görür. Öte yandan GAP’ler, Rho1’in GTPase aktivitesini arttırır ve böylece Rho1’i devre dışı bırakır. Aktive edilmiş Rho1, aşağı akış efektörleri, Rho ile ilişkili kinaz (Rok) ve Diaphanous¹⁴ ile etkileşime girerek ve aktive ederek aktomiyosin kasılmasını teşvik eder. Rok, miyozin^15’in düzenleyici hafif zincirini fosforile ederek miyozin aktivasyonunu ve aktomiyosin kasılmasını indükler. Ek olarak, Rok ayrıca miyozin düzenleyici hafif zincir fosfatazı inhibe eder ve dolayısıyla miyozin filament düzeneğini daha da teşvik^{eder 16}. Rok ayrıca, aktive edildiğinde, aktin-depolimerizasyon faktörü kofilin^17,18’i fosforile ederek ve inhibe ederek aktinin parçalanmasını önleyen LIM kinazları fosforile edebilir. Diaphanous, aktin polimerizasyonunu destekleyen ve miyozinin ^19,20,21 ile etkileşime girmesi için bir temel sağlayan bir formin ailesi aktin nükleatörüdür.

Aktomiyosin kontraktilitesini aktive eden hücresel mekanizmalar iyi aydınlatılmış olsa da, dinamik doku yeniden şekillenmesini düzenlemedeki işlevine ilişkin anlayışımız eksik kalmaktadır. Bu bilgi boşluğunu doldurmak, in vivo olarak belirli doku bölgelerinde aktomiyosini hızla etkisiz hale getirebilen ve doku davranışı ve özellikleri üzerindeki ani etkiyi kaydedebilen yaklaşımlar gerektirir. Bu protokol, Drosophila mezoderm invaginasyonu sırasında aktomiyosin kontraktilitesini akut olarak inhibe etmek için optogenetik bir yaklaşımın kullanımını ve ardından lazer ablasyonu kullanılarak epitel gerginliğinin ölçülmesini açıklar. Drosophila gastrulasyonu sırasında, ventral lokalize mezoderm öncü hücreleri apikal daralmaya uğrar ve ön-arka yönelimli bir karık oluşturarak embriyonun yüzeyinden invaze olur^22,23. Ventral olukların oluşumu uzun zamandır epitelyal katlanma mekanizmasını incelemek için bir model olarak kullanılmaktadır. Ventral karık oluşumu, Drosophila^{24,25,26,27’de} dorsal-ventral modelleme sistemi ile uygulanır. Embriyonun ventral tarafında bulunan iki transkripsiyon faktörünün, Twist ve Salyangoz’un ekspresyonu, ventral karık oluşumunu kontrol eder ve mezodermal hücre kaderini belirler²⁸. Twist ve Salyangoz, bir G-proteinine bağlı reseptör yolu ve bir RhoGEF2 adaptör proteini, T48 29,30,31,32,33 yoluyla mezoderm öncü hücrelerinin tepesine Rho1 GEF RhoGEF2’nin alımını aktive eder. Daha sonra, RhoGEF2, Rho-Rho kinaz yolu 34,35,36,37,38,39 yoluyla potansiyel mezodermin apikal yüzeyi boyunca miyozini aktive eder. Aktive miyozin, mezoderm primordiumun apikal yüzeyi boyunca bir supraselüler aktomiyosin ağı oluşturur, kasılmaları apikal daralmaya neden olur ve apikal doku gerginliğinde hızlı bir artışa neden olur 14,37,40.

Bu protokolde tarif edilen optogenetik araç, Opto-Rho1DN, baskın bir negatif Rho1 (Rho1DN) ⁴¹ formunun mavi ışığa bağlı plazma membranı alımı yoluyla aktomiyozin kontraktilitesini inhibe eder. Rho1DN’deki bir T19N mutasyonu, mutant proteinin GDP’yi GTP ile değiştirme yeteneğini ortadan kaldırır ve böylece proteini sürekli olarak inaktif hale getirir³⁴. Rho1DN’deki müteakip bir mutasyon olan C189Y, saf membran hedefleme sinyalini^42,43 ortadan kaldırır. Rho1DN plazma membranına infüze edildiğinde, Rho1 GEF’lere bağlanır ve onu tutar, böylece Rho1’in aktivasyonunun yanı sıra miyozin ve aktinin Rho1 aracılı aktivasyonunu bloke eder^34,44. Rho1DN’nin plazma membranı alımı, Cryptochrome 2 ve onun bağlanma ortağı CIB1’den türetilen ışığa bağlı bir dimerizasyon modülü aracılığıyla sağlanır. Cryptochrome 2, Arabidopsis thaliana^45’te mavi ışıkla aktive olan bir Cryptochrome fotoreseptörüdür. Kriptokrom 2, temel bir sarmal-döngü-sarmal proteini olan CIB1’e yalnızca foto-uyarılmış durumunda^{bağlanır 45}. Daha sonra, Kriptokrom 2’den (CRY2 PHR, bundan sonra CRY2 olarak anılacaktır) ve CIB1’in (bundan sonra CIBN olarak anılacaktır) N-terminal alanından (aa 1-170) korunmuş N-terminali, fotoliyaz homoloji bölgesinin (_PHR) ışık kaynaklı dimerizasyon için önemli olduğu bulunmuştur⁴⁶. Opto-Rho1DN iki bileşen içerir. İlk bileşen, proteini plazma zarına⁴⁷ lokalize eden bir CAAX çapası ile kaynaşmış CIBN proteinidir. İkinci bileşen, Rho1DN⁴¹ ile kaynaşmış mCherry etiketli CRY2’dir. Mavi ışığın yokluğunda, CRY2-Rho1DN sitoplazmada kalır. Mavi ışık stimülasyonu üzerine, CRY2-Rho1DN, membrana bağlı CIBN ve uyarılmış CRY2 arasındaki etkileşim yoluyla plazma membranına hedeflenir. Opto-Rho1DN, ultraviyole A (UVA) ışığı ve mavi ışık (400-500 nm, 450-488 nm’de tepe aktivasyonu) veya iki foton stimülasyonu^41,46,47,48 gerçekleştirirken 830-980 nm darbeli lazer ile aktive edilebilir. Bu nedenle, Opto-Rho1DN, normalde heyecan verici GFP için kullanılan dalga boyları tarafından uyarılır (tek foton görüntüleme için 488 nm ve iki foton görüntüleme için 920 nm). Buna karşılık, heyecan verici mCherry için yaygın olarak kullanılan dalga boyları (tek foton görüntüleme için 561 nm ve iki foton görüntüleme için 1.040 nm) optogenetik modülü uyarmaz ve bu nedenle ön stimülasyon görüntüleme için kullanılabilir. Protokol, numune manipülasyonu sırasında istenmeyen stimülasyon riskini en aza indirmek için kullanılan yaklaşımları açıklar.

Lazer ablasyon, hücrelerdeki ve dokulardaki gerilimi tespit etmek ve ölçmek için yaygın olarak kullanılmaktadır⁴⁹. Önceki çalışmalar, lazer yoğunluğu uygun şekilde kontrol edildiğinde, femtosaniye yakın kızılötesi lazer kullanan iki fotonlu lazer ablasyonunun, plazma membranı yırtılmasına neden olmadan bazı hücre altı yapıları (örneğin, kortikal aktomiyosin ağları) fiziksel olarak bozabileceğini göstermiştir^50,51. Doku gergin ise, doku içindeki ilgilenilen bir bölgenin lazerle ablasyonu, ablasyon bölgesine bitişik hücrelerin hemen dışa doğru geri tepmesine neden olur. Geri tepme hızı, gerilimin büyüklüğünün ve geri tepmeye maruz kalan yapıları çevreleyen ortamın (sitoplazma) viskozitesinin bir fonksiyonudur⁴⁹. Yakın kızılötesi lazerlerin üstün penetrasyon derinliği ve iyi sınırlandırılmış fokal ablasyon elde etme yeteneği nedeniyle, iki fotonlu lazer ablasyonu, in vivo doku gerginliğini tespit etmek için özellikle yararlıdır. Bu protokolde gösterildiği gibi, bu yöntem, dinamik doku yeniden şekillenmesi sırasında Rho1’e bağımlı hücresel kontraktilitenin doku mekaniği üzerindeki doğrudan etkisini araştırmak için aktomiyosin kontraktilitesinin Opto-Rho1DN aracılı inaktivasyonu ile kolayca birleştirilebilir.