Subcellulaire beeldvorming van neuronale calciumbehandeling in vivo

Calciumionen (Ca²⁺) zijn zeer veelzijdige dragers van informatie in veel celtypen. In neuronen is Ca²⁺ verantwoordelijk voor de activiteitsafhankelijke afgifte van neurotransmitters, de regulatie van cytoskeletale motiliteit, de fijnafstemming van metabole processen, evenals vele andere mechanismen die nodig zijn voor een goed neuronaal onderhoud en functie ^1,2. Om effectieve intracellulaire signalering te garanderen, moeten neuronen lage basale Ca^{2 +} -niveaus in hun cytoplasma³ handhaven. Dit wordt bereikt door coöperatieve Ca 2+ behandelingsmechanismen, waaronder de opname van Ca²⁺ in organellen zoals het endoplasmatisch reticulum (ER) en mitochondriën. Deze processen, naast de rangschikking van Ca 2⁺-permeabele ionkanalen in het plasmamembraan, resulteren in heterogene niveaus van cytoplasmatisch Ca²+ door het neuron.

Ca²⁺ heterogeniteit tijdens rust en neuronale activatie zorgt voor de diverse, locatiespecifieke regulatie van Ca²⁺-afhankelijke mechanismen¹. Een voorbeeld van de concentratiespecifieke effecten van Ca 2 + is de afgifte van Ca^{2 +} uit het ER via inositol 1,4,5-trisfosfaat (InsP₃) receptoren. Lage Ca²⁺ niveaus in combinatie met InsP₃ zijn vereist voor het openen van de calciumdoorlatende porie van de receptor. Als alternatief remmen hoge Ca²⁺ niveaus, zowel direct als indirect, de receptor⁴. Het belang van Ca 2+ homeostase voor een goede neuronale functie wordt ondersteund door bewijs dat suggereert dat verstoorde intracellulaire Ca²⁺ behandeling en signalering een vroege stap is in de pathogenese van neurodegeneratieve aandoeningen en natuurlijke veroudering ^5,6. In het bijzonder zijn abnormale Ca²⁺ opname en afgifte door het ER en mitochondriën gekoppeld aan het begin van neuronale disfunctie bij de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en de ziekte van Huntington ^6,7.

De studie van Ca 2⁺ dyshomeostase tijdens natuurlijke veroudering of neurodegeneratie vereist de longitudinale observatie van Ca²⁺ niveaus met subcellulaire resolutie in een levend, intact organisme waarin de inheemse cellulaire architectuur (d.w.z. de rangschikking van synapsen en distributie van ionkanalen) wordt gehandhaafd. Hiertoe biedt dit protocol richtlijnen voor het gebruik van twee direct beschikbare, genetisch gecodeerde Ca 2+ sensoren voor het registreren van Ca²⁺ dynamica in vivo met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. De representatieve resultaten verkregen met behulp van de beschreven methode in C. elegans laten zien hoe de expressie van Ca 2+ indicatoren in het cytoplasma of mitochondriale matrix van afzonderlijke neuronen de snelle verwerving van fluorescerende beelden (tot 50 Hz) mogelijk kan maken die de Ca 2+ dynamiek illustreren met het extra vermogen om de Ca ²⁺ niveaus te onderscheiden binnen enkele wervelkolomachtige structuren en individuele mitochondriën.