Este protocolo descreve uma estratégia optogenética para modular a atividade da proteína quinase ativada por mitógenos (MAPK) durante a diferenciação celular e o desenvolvimento embrionário de Xenopus . Este método permite a ativação reversível da via de sinalização MAPK na cultura de células de mamíferos e em organismos vivos multicelulares, como embriões Xenopus , com alta resolução espacial e temporal.
A atividade da cinase é crucial para uma infinidade de funções celulares, incluindo proliferação celular, diferenciação, migração e apoptose. Durante o desenvolvimento embrionário precoce, a atividade quinasa é altamente dinâmica e generalizada em todo o embrião. As abordagens farmacológicas e genéticas são comumente usadas para sondar atividades de quinase. Infelizmente, é desafiador alcançar uma resolução espacial e temporal superior usando essas estratégias. Além disso, não é viável controlar a atividade quinasa de forma reversível em células vivas e organismos multicelulares. Essa limitação continua a ser um gargalo para alcançar uma compreensão quantitativa da atividade quinasa durante o desenvolvimento e a diferenciação. Este trabalho apresenta uma estratégia optogenética que tira proveito de um sistema bicistrônico contendo proteínas fotoativáveis Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2) e o domínio N-terminal da híbrida-hélice-hélice básica interativa criptocromo (CIBN). ReversiA ativação da ativação da via de sinalização da proteína quinase ativada por mitogeno (MAPK) é conseguida através da translocação da proteína mediada por luz em células vivas. Esta abordagem pode ser aplicada a culturas de células de mamíferos e embriões de vertebrados vivos. Este sistema bicistrônico pode ser generalizado para controlar a atividade de outras quinases com mecanismos de ativação semelhantes e pode ser aplicado a outros sistemas modelo.
Os fatores de crescimento estão envolvidos em um amplo espectro de funções celulares, incluindo proliferação, diferenciação, migração e apoptose, e desempenham papéis fundamentais em muitos eventos biológicos, incluindo desenvolvimento embrionário, envelhecimento e regulação do estado mental 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Muitos fatores de crescimento indicam através de cascatas de sinalização intracelular complexas. Esses eventos de sinalização são freqüentemente operados por fosforilação protéica reversível de forma regulada com precisão 6 , 7 . Assim, uma compreensão dos resultados de sinalização das proteínas quinases, que são responsáveis pela fosforilação de proteínas, é fundamentalmente importante.
Diferentes fatores de crescimento agem através de uma rede de sinalização intracelular bastante comum, embora estimulem distInct celular respostas 8 , 9 . Os mediadores intracelulares comuns das tirosina cinases receptoras incluem Ras, Raf, cinase regulada por sinal extracelular (ERK), proteína quinase activada por mitogeno (MAPK) / ERK quinase (MEK), phosphoinositide 3-kinase (PI3K), Akt e fosfolipase C gama (PLCγ) 10 , 11 . A evidência de acumulação sugere que a diversidade e a especificidade da sinalização dependem da regulação espacial e temporal da atividade de sinalização 12 . Por exemplo, em células de feocromocitoma de ratos (PC12), a estimulação do fator de crescimento epidérmico (EGF), que resulta na proliferação celular, ativa a via ERK 9 transitória. Por outro lado, a estimulação com o fator de crescimento nervoso (NGF), que leva à diferenciação celular, ativa a via ERK de forma sustentada 9 , 13 . Em culturaNos neurônios do hipocampo, a sinalização transitória por fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF) promove a proliferação primária dos neurites, enquanto a sinalização sustentada leva ao aumento da ramificação dos neurites 14 . Durante o desenvolvimento embrionário precoce, a atividade ERK fosforilada é temporariamente dinâmica e está disseminada em todo o embrião 6 . Uma tela genética recente durante a embriogênese precoce de Xenopus mostrou que as cascatas de sinalização de ERK e Akt, duas vias do factor de crescimento primário a jusante, exibiam os perfis de ativação específicos do estágio 7 . Assim, uma compreensão dos resultados da sinalização da quinase requer ferramentas que possam investigar as características espaciais e temporais da atividade quinasa com resolução suficiente.
As abordagens experimentais convencionais para investigar a natureza dinâmica da transdução de sinal durante o desenvolvimento não possuem a resolução espacial e temporal desejável. Por exemplo, as abordagens farmacológicas utilizamMoléculas histológicas ou biológicas para estimular ou suprimir a transdução de sinal em células e tecidos. A natureza difusiva dessas moléculas pequenas torna desafiador restringir sua ação a uma região específica de interesse 15 . As abordagens genéticas ( por exemplo, transgênese, sistema Cre-Lox ou mutagênese) geralmente levam à ativação ou à repressão irreversível da expressão do gene alvo ou da atividade protéica 16 , 17 , 18 . O sistema Tet-On / Tet-Off 19 oferece um controle temporal melhorado da transcrição genética, mas não possui controle espacial rigoroso porque depende da difusão da tetraciclina. Desenvolvimentos recentes na dimerização de proteína induzida quimicamente 20 ou foto-uncaging 21 , 22 , 23 , 24 aumentaram bastanteO controle temporal das redes de sinalização. O controle espacial, no entanto, continua desafiando devido à natureza difusiva dos produtos químicos enjaulados.
As recentes abordagens optogenéticas emergentes, que aproveitam o poder da luz para controlar as interações proteína-proteína, permitem a modulação de caminhos de sinalização com alta precisão espaciotemporal e reversibilidade. Pouco depois do seu sucesso inicial no controle do disparo neuronal 25 , 26 , 27 , a optogenética foi estendida para controlar outros processos celulares, como transcrição de genes, tradução, migração celular, diferenciação e apoptose 28 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 . Uma estratégia usando a pO pino proteico de hotoactividade da proteína Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2) e o domínio N-terminal da hélice-laço-hélice básica (CIBN) que interage criptocromo foi recentemente desenvolvido para controlar a atividade da quinase Raf1 em células de mamíferos e embriões Xenopus 35 . CRY2 liga-se a CIBN após a estimulação de luz azul e o complexo de proteína CRY2 / CIBN dissocia espontaneamente no escuro 34 . A luz azul excita o cofactor CRY2, o dinucleótido de flavina adenina (FAD), o que leva a uma mudança conformacional em CRY2 e sua subsequente ligação à CIBN. Os mutantes de CRY2 deficientes em flavina (D387A) podem ser produzidos através de mutações no bolso de ligação ao FAD: o mutante CRY2 W374A liga-se a CIBN independentemente da luz, enquanto que o mutante CRY2 D387A não se liga à CIBN sob o azul Estimulação luminosa 36 , 37 . O sistema optogenético descrito iN este protocolo usa CRY2 e CIBN de tipo selvagem para induzir ativação Raf1 mediada por translocação de proteínas em células vivas. Sabe-se que o recrutamento de membranas de Raf1 aumenta sua atividade 38 . Neste sistema, um módulo CIBN em tandem é ancorado na membrana plasmática e CRY2-mCherry é fundido com o N-terminal de Raf1 35 . Na ausência de luz azul, CRY2-mCherry-Raf1 permanece no citoplasma e Raf1 está inativo. A estimulação de luz azul induz a ligação CRY2-CIBN e recruta Raf1 para a membrana plasmática, onde Raf1 é ativado. A ativação do Raf estimula uma cascata de sinalização Raf / MEK / ERK. As proteínas de fusão CRY2 e CIBN são codificadas em um sistema genético bicistrônico. Essa estratégia pode ser generalizada para controlar outras quinases, como Akt, cujo estado de ativação também pode ser ativado pela translocação de proteínas nas células 39 . Este trabalho apresenta protocolos detalhados para implementar esta estratégia optogenética em cultu de células de mamíferosRes e organismos multicelulares.
Ao construir a caixa de luz, a potência dos LEDs individuais deve ser medida. Com base na experiência anterior, a potência pode variar entre LEDs individuais devido a variação de fabricação. Selecione um conjunto de LEDs que tenham uma saída de energia dentro de 10% uns dos outros. O número de LEDs, o resistor de limitação de corrente e a entrada de energia podem ser modificados para diferentes tipos de recipientes de cultura celular ( por exemplo, uma placa de 6 poços ou de 24 poços). Uma ilumina?…
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pela Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC) e os Institutos Nacionais de Saúde (NIGMS R01GM111816).
Glass coverslip | VWR | 48393 230 | Substrate for live cell imaging |
Coverslip holder | Newcomer Supply | 6817B | Holder for coverslips |
Detergent | ThermoFisher | 16 000 104 | For cleaning coverslips |
Boric acid | Sigma-Aldrich | B6768-500G | For making PLL buffer |
Disodium tetraborate | Sigma-Aldrich | 71996-250G | For making PLL buffer |
Plastic beaker | Nalgene | 1201-1000 | For cleaning coverslips |
Sodium hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465-2.5KG | For adjust pH |
Poly-L-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P1274-500MG | For coating coverslip |
Diethylpyrocarbonate (DEPC)-Treated Water | ThermoFisher Scientific | 750024 | For DNA preparation |
Cover Glass Forceps | Ted Pella | 5645 | Cover glass handling |
Tissue cutlure dish | Thermofisher | 12565321 | Cell culture dish |
Sterile centrifuge tubes | ThermoFisher | 12-565-271 | Buffer storage |
Transfection Reagent | ThermoFisher | R0534 | Transfection |
CO2-independent medium | ThermoFisher | 18045088 | For live cell imaging |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Ellsworth Adhesives | 184 SIL ELAST KIT 0.5KG | Form make cell chamber |
Plasmid Maxiprep kit | Qiagen | 12965 | Plasmid preparation |
DMEM medium | ThermoFisher | 11965-084 | Cell culturing medium component |
F12K medium | ThermoFisher | 21127022 | Cell culturing medium component |
Horse serum | ThermoFisher | 16050122 | Cell culturing medium component |
Fetal Bovine Serum | Signa-Aldrich | 12303C-500 mL | Cell culturing medium component |
Penicillin-Streptomycin-Glutamine | ThermoFisher | 10378016 | Cell culturing medium component |
Trypsin (0.25%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 15050065 | For mammalian cell dissociation |
Agarose | Fisher Scientific | BP1356-100 | For DNA preparation |
Ficoll PM400 | GE Heathcare Life Sciences | 17-5442-02 | For embryo buffer |
L-Cysteine hydrochloride monohydrate | Sigma-Aldrich | 1.02839.0025 | Oocyte preparation |
ApaI | ThermoFisher | FD1414 | For linearization of plasmids |
Dnase I | ThermoFisher | AM2222 | For removing DNA template in the in vitro transcription assay |
Index-match materials (immersion oil) | Thorlabs | MOIL-20LN | For matching the index between sample substrate and objective |
Blue LED | Adafruit | 301 | Light source for optogenetic stimulation |
Resistor kit | Amazon | EPC-103 | current-limiting resistor |
Aluminum boxes | BUD Industries | AC-401 | light box |
BreadBoard | Jekewin | 837654333686 | For making LED array |
Hook up Wire | Electronix Express | 27WK22SLD25 | For making LED array |
Relay Module | Jbtek | SRD-05VDC-SL-C | For intermittent light control |
DC Power Supply | TMS | DCPowerSupply-LW-(PS-305D) | Power supply for LED |
Silicon Power Head | Thorlabs | S121C | For light intensity measurement |
Power meter | Thorlabs | PM100D | For light intensity measurement |
Microscope | Leica Biosystems | DMI8 | For live cell imaging |
BioSafety Cabinet | ThermoFisher | 1300 Series A2 | For mammalian cell handling |
CO2 incubator | ThermoFisher | Isotemp | For mammalian cell culturing |
Stereo microscope | Leica | M60 | For embryo micro-manipulation |
Microinjector | Narishige | IM300 | For embryo microinjection |
Micropipette puller | Sutter Instruments | P87 | Needle puller |
in vitro transcription kit | ThermoFisher | AM1340 | For in vitro transcription. The kit includes nuclease-free water, SP6 RNA Polymerase, ribonucleotide mixture, cap analog, lithium choride precipitation solution, and spin column |
RNA purfication kit | Qiagen | 74104 | Silica-membrane spin column for purification of synthesized RNA |
Convection oven | MTI corporation | EQ-DHG-9015 | PDMS curing |
Centrifugal mixer and teflon container | THINKY | AR310 | For mixing PDMS |
Silicon wafer | UniversityWafer | 452 | Base for making PDMS devices |
Blade | Techni Edge | 01-801 | For cutting PDMS |
Capillary glass | Sutter Instruments | BF100-58-10 | For fabrication of injecting needles. |