in vivoでの神経細胞カルシウムハンドリングの細胞内イメージング

カルシウムイオン(^Ca2+)は、多くの細胞型において非常に汎用性の高い情報担体です。ニューロンにおいて、^Ca2+は、神経伝達物質の活動依存的放出、細胞骨格運動性の調節、代謝過程の微調整、ならびに適切なニューロンの維持および機能に必要な他の多くのメカニズムに関与している^1,2。効果的な細胞内シグナル伝達を確実にするために、ニューロンは細胞質³において低い基底^Ca2+レベルを維持しなければならない。これは、小胞体(ER)やミトコンドリアなどの細胞小器官へのCa2+の取り込みを含む、協調的な^Ca2+処理メカニズムによって達成されます。これらのプロセスは、原形質膜におけるCa2+透過性イオンチャネルの配置に加えて、ニューロン全体にわたって不均一なレベルの細胞質^Ca2+をもたらす。

安静時およびニューロン活性化中のCa2+不均一性は、^Ca2+依存性メカニズムの多様で場所特異的な調節を可能にします¹。^Ca2+の濃度特異的効果の一例は、イノシトール1,4,5-三リン酸(_InsP3)受容体を介したERからの^Ca2+の放出である。InsP₃と組み合わせた低^Ca2+レベルは、受容体のカルシウム透過性細孔の開口に必要とされる。あるいは、高い^Ca2+レベルは、受容体⁴を直接的および間接的に阻害する。適切な神経機能のためのCa2+恒常性の重要性は、細胞内^Ca2+の取り扱いおよびシグナル伝達の破壊が神経変性障害および自然老化の病因の初期段階であることを示唆する証拠によって裏付けられ^ている5,6。具体的には、ERおよびミトコンドリアによる異常な^Ca2+の取り込みおよび放出は、アルツハイマー病、パーキンソン病、およびハンチントン病における神経機能障害の発症に関連している^6,7。

自然老化または神経変性中のCa2⁺異相変の研究には、天然の細胞構造(すなわち、シナプスの配置およびイオンチャネルの分布)が維持されている生きている無傷の生物における細胞内分解能での^Ca2+レベルの縦断的観察が必要である。この目的のために、このプロトコルは、高い空間的および時間的分解能でin vivoでCa2+ダイナミクスを記録するために、容易に入手可能で遺伝的にコード化された2つの^Ca2+センサーの使用に関するガイダンスを提供します。C. elegansに記載の方法を用いて得られた代表的な結果は、単一ニューロンの細胞質またはミトコンドリアマトリックスにおけるCa2+指示薬の発現が、単一のスパイン様構造および個々のミトコンドリア内のCa2+レベルを識別する追加能力を有する^Ca2+動態を示す蛍光画像(最大50Hz)の迅速な取得をどのように可能にするかを示している。