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自然。作者手稿;于2009年9月19日在PMC上市。
以最终编辑形式发布为:
预防性维修识别码:2007年7月27日
NIHMSID公司:NIHMS103017标准
PMID:19295602

长时程增强过程中单个树突棘中CaMKII的激活

关联数据

补充资料

摘要

2+/钙调素依赖性激酶II(CaMKII)在长时程增强(LTP)中起着核心作用,LTP是某些形式的学习和记忆的基础。在这里,我们使用双光子荧光寿命成像显微镜结合双光子谷氨酸去钙,监测了LTP期间单个树突棘中CaMKII激活的时空动力学。LTP的诱导和单个脊椎的相关脊柱增大触发了仅限于受刺激脊椎的短暂(~1分钟)CaMKII激活。脊髓中的CaMKII被NMDA受体和L型电压敏感性钙通道特异性激活,可能是通过纳米结构域Ca2+在通道附近,分别对谷氨酸去极化和去极化作出反应。CaMKII信号的高度分区和通道特异性允许CaMKIII信号的刺激特异性时空模式,并且可能对突触可塑性的突触特异性很重要。

CaMKII是一种由12个亚单位组成的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1每个亚单位都被钙的结合激活2+结合钙调素(Ca2+/CaM)。当一个CaMKII亚单位在T286位点被自动磷酸化时,其活性可以在Ca解离后保持2+/CaM公司2有人认为,CaMKII在突触后密度(PSD)中的激活可能会持续较长时间(超过小时)以维持LTP2CaMKII与包括NMDA受体NR2B亚单位(NMDAR)在内的多个离子通道相互作用和电压敏感钙通道(VSCC)4,表明CaMKII激活可能在这些通道的纳米域内启动,以产生通道特异性信号。然而,在单突触水平上,尚不清楚CaMKII激活是否是通道特异性的,CaMKIII激活在多大程度上被分隔,以及在LTP期间是否持续存在于受刺激脊椎中。

为了测量脊椎中CaMKII的活化,我们改进了先前报道的CaMKIα传感器Camuiα,开发了一种基于荧光共振能量转移(FRET)的CaMKIIα传感器,其中CaMKIlα的N端和C端被供体和受体荧光团标记5为了优化灵敏度和亮度,我们使用FRET对单体增强型绿色荧光蛋白(mEGFP)6和REACh,一种非辐射YFP变体7(Green-Camuiα),并使用双光子荧光寿命成像显微镜(2pFLIM)测量FRET8-10激活Green-Camuiα应将CaMKIIα的构象改变为其激酶结构域暴露的开放状态1从而降低FRET并增加mEGFP的荧光寿命(补充图1). 我们证实了Green-Camuiα被并入CaMKII十二碳全酶,Green-Camuiα的荧光寿命报告了与T286磷酸化和Ca2+/CaM绑定(补充说明)。我们从生物学角度11用Geen-Camuiα和mCherry转染海马培养切片中的CA1锥体神经元。Green-Camuiα的表达水平估计为内源性CaMKIIα亚基水平的25-50%,CaMKILα亚基的内源性浓度估计为~10-100μM(补充图2,补充注释)。

树突棘结构塑性过程中CaMKII的活化

利用这项技术,我们成像了树突棘结构塑性过程中CaMKII的激活,这被认为与LTP有关12-14(图1). 为了诱导突触特异性结构可塑性,我们在细胞外Mg为零的情况下,对单个树突棘施加了一系列2光子谷氨酸解束缚脉冲(0.5 Hz时为45个脉冲)2+ 13,14谷氨酸去盖后脊柱体积迅速增加376±68%(图1c、e)并放松至104±21%的升高水平超过30分钟(图1c,f)13,14结构可塑性与受刺激脊髓中Green-Camuiα的积累有关,该积累大致与体积变化成正比(补充图3)15通过阻断NMDAR(100μM AP5),树突棘的结构可塑性被破坏13(图1c、e、f). CaMKII抑制剂(10μM KN62)部分抑制了持续的结构塑性(图1c,f),但瞬态阶段不明显(图1c、e)表明激活CaMKII是维持脊柱体积变化所必需的13Green-Camuiα的T286A突变体的过度表达降低了持续的脊柱增大(图1c,f,补充图4)证明该突变体作为显性阴性。由于T286A突变体的过表达水平相对较低(10-20%;补充说明),在全酶中相对较小部分的CaMKII亚基中抑制T286的自磷酸化可能足以抑制结构可塑性。这一结果与先前报道的T286A杂合敲除小鼠LTP减弱的研究一致16.

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用2pFLIM结合双光子谷氨酸开盖法同时测量CaMKII激活和单棘结构可塑性

,在缺乏细胞外镁的情况下,通过2-光子谷氨酸去钙诱导脊椎结构可塑性期间Green-Camuiα的荧光寿命图像2+寿命更长意味着活动增加。白色箭头表示未切割激光光斑的位置。

b,受刺激脊椎(表示为“Stim”)和相邻脊椎(显示为“Adj”,在受刺激脊柱5μm范围内)中Green-Camuiα荧光寿命变化的平均时间进程。还显示了使用药物抑制剂和T286A突变型Green-Camuiα的数据。受刺激脊椎的样本数(脊椎/神经元)为35/30,相邻脊椎为29/28,AP5为5/4,KN62为7/5,T286A为18/11。右侧面板:无套管期间荧光寿命变化的近距离视图。

c,受刺激脊椎和相邻脊椎中脊椎体积变化的平均时间进程。右:体积变化的近距离视图。

d日,CaMKII激活(平均0-40秒或前5点)。星形表示对照组和其他组之间的统计显著性(第页< 0.05).

e(电子),瞬时体积变化(1.5-2分钟内平均体积变化减去25-30分钟内平均的体积变化)13.

(f),持续的音量变化(25-30分钟内的平均音量变化)。

在结构塑性过程中,根据Green-Camuiα的荧光寿命测量,CaMKII的活性迅速增加(图1a、b). 这种活性仅限于受刺激的脊椎,不会扩散到树突或相邻的脊椎(图1a、b、d). CaMKII的激活先于脊柱体积的增大,这表明CaMKI触发了导致结构可塑性的分子过程(图1a、b、c). NMDAR阻滞剂AP5抑制了荧光寿命的变化,表明CaMKII被Ca激活2+来自NMDAR(图1b、d). CaMKII抑制剂KN62使荧光寿命变化降低40%(图1b、d). T286A和T305D突变传感器的活性较低,这表明钙调蛋白的结合和T286的磷酸化是脊椎中CaMKII完全激活所必需的(图1b、d,补充图4).

脊椎特异性CaMKII激活机制

一般来说,CaMKII活化的分区程度由两个因素决定:CaMKIII活性的失活时间常数和CaMKIL的迁移率10,17因此,我们测量这些参数以研究限制CaMKII激活的机制。首先,为了精确测量CaMKII的动力学,我们以较高的时间分辨率(2s)成像CaMKIII活性,以响应一系列短的谷氨酸去钙脉冲(0.5 Hz,8个脉冲在细胞外零镁离子中2+). CaMKII的激活在6 s内达到一个平台,在停止去盖后,它被两个时间常数(6和45 s)灭活(图2a). T286A Green-Camuiα的活化程度远低于野生型,并在2 s内腐烂(图2a). 这些结果表明,T286磷酸化延长了CaMKII的激活,并允许在重复的谷氨酸去激活过程中积累激活的CaMKIL。为了测量CaMKII活化如何调节衰变动力学,我们用1到45个不同数量的非屏蔽脉冲刺激脊椎(图2b). 在45个未锁定脉冲的情况下,我们观察到棘的放大。我们的数据表明,衰变时间常数既不取决于刺激次数,也不取决于CaMKII激活水平(图2b).

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确定脊椎特异性的参数测量:CaMKII的失活动力学和迁移率

,使用野生型和T286A Green Camuiα在零细胞外Mg中对脊柱进行短暂刺激(8个脉冲,0.5 Hz)后CaMKII激活和失活的测量2+这些实验是以交叉方式进行的。固态青色曲线表示通过拟合野生型数据获得的双指数函数(时间常数:6 s[80%]和45 s[20%])。蓝色虚线曲线表示时间常数为1s的单指数函数。野生型的样本数(脊髓/神经元)为25/5,T286A的样本数为28/4。

b.不同次数的去盖脉冲(1、8和45脉冲,0.5 Hz)后的CaMKII失活动力学。数据用双指数函数拟合(青色曲线)。1个脉冲的时间常数为9.3 s(71%)和>100 s(29%),8个脉冲为4.7 s(61%)和136.6 s(39%),45个脉冲为4.5 s(61%.)和102 s(39%。样本数(脊椎/神经元)为28/9(1个脉冲)、16/8(8个脉冲)和13/7(45个脉冲)。

c,使用可光活化GFP(paGFP)测量CaMKII的尖晶石-枝晶耦合。我们使用Green-Camuiα,mEGFP被paGFP(REACh-CaMKIIα-paGFP)或paGFP-CaMKIα取代。顶部面板:表达REACh-CaMKIIα-paGFP(绿色)和mCherry(红色)的神经元光激活前后的绿色和红色荧光。棒材,1μm。底部面板:红色和绿色比率的平均时间进程。信号被归一化为峰值荧光变化。第一个点是光活化后1s。通过双指数函数拟合,REACh-CaMKIIα-paGFP(青色固体曲线)的衰减时间常数分别为1.3分钟(48%)和17.0分钟(52%),而paGFP-CaMKIIIα(青色虚线曲线)为1.0分钟(53%)和20.7分钟(47%)。样本(棘/神经元)的数量为15/5(REACh-CaMKIIα-paGFP)和22/9(paGFP-CaMKIIα)。

d日.结构塑性过程中Green-Camuiα的棘-枝晶耦合。在谷氨酸开盖期间(720 nm,6 ms,45脉冲,Mg2+自由溶液),REACh-CaMKIIα-paGFP可以被光活化。我们从归一化绿色荧光中减去归一化红色荧光,假设REACh-CaMKIIα-paGFP的小基线荧光表现与mCherry荧光变化相似(参见补充图3). 通过双指数函数(青色曲线)拟合,得到了1.6min(82%)和15.3min(18%)的衰减时间常数。样本数(脊椎/神经元)为10/7。

接下来,我们使用光活化GFP(paGFP;图2c、d). 我们使用了一种Green-Camuiα变体,用光活化GFP(REACh-CaMKII-paGFP)替代EGFP,或使用标记了CaMKIIα的paGFP(paGFP-CaMKIl)。paGFP光活化后,由于CaMKIIα从脊柱向外扩散,绿色荧光衰减,时间常数为~1和~20分钟(图2c). Green-Camuiα光漂白后的荧光恢复(FRAP)也显示出类似的恢复时间常数(补充图5b-c). 我们还通过监测REACh-CaMKIIα-paGFP的衰变来测量CaMKIl在结构塑性过程中的迁移率,该衰变通过谷氨酸去壳方案(6 ms脉冲,45次)进行光激活。光激活REACh-CaMKIIα-paGFP以与静止状态类似的时间常数衰减(图2d). 与此棘-枝晶耦合时间常数一致,与脊柱体积变化相比,结构塑性瞬态阶段CaMKIIα在脊柱中的积累较小(补充图3). 由于CaMKII的失活速度快于其在脊柱外的扩散速度,因此CaMKII的激活必须局限于受刺激的脊柱,这与我们对结构塑性过程中CaMKII活性的测量一致(图1).

剥皮诱导LTP期间CaMKII激活

在存在细胞外镁的情况下2+海马CA1突触中LTP的诱导需要同时进行突触后去极化和突触激活以释放Mg2+NMDAR块18为了研究在这种条件下CaMKII激活的动力学,我们对LTP过程中的CaMKII激活进行了成像,LTP是在细胞外Mg存在的情况下,通过突触后去极化与2-光子谷氨酸解封配对诱导的2+(1百万)13(图3). 我们对转染Green-Camuiα和mCherry的神经元进行全细胞膜片钳记录,并测量-65 mV下2-光子谷氨酸去极化(uEPSC)诱发的突触后电流。该LTP方案诱导uEPSC和脊柱体积持续增加~150%,并维持60分钟以上(图3c、d). 在相同的LTP方案中,去极化在脊椎(2.6±0.5μM)和树突轴(2.6±.5μM)中产生了较大的钙升高,这可能是由于VSCC的激活所致19(补充图6a-c). 尽管去极化保持了1分钟以上,[Ca2+]在2秒内迅速衰减20(补充图6b、c). 在少量残余Ca的顶部2+(0.21±0.07μM),随后的谷氨酸去盖产生的钙瞬变在1.8±0.3μM(第一次去盖)和0.8±0.2μM(第三十次去盖21,22(补充图6b、c).

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双光子谷氨酸去钙结合突触后去极化诱导LTP过程中CaMKII激活的成像研究

,Green-Camuiα在2光子谷氨酸去极化与突触后去极化联合诱导LTP期间的荧光寿命图像。

b,受刺激脊椎、邻近脊椎(受刺激脊椎5μm范围内)和靠近受刺激脊柱的树突轴中Green-Camuiα荧光寿命变化的平均时间进程。右图:未时效期间荧光寿命变化的近景。来自8个神经元的8个受刺激棘、13个相邻棘和8个树突的平均值。由于样本数量较少,受刺激脊椎的绘图噪音较大。中受刺激脊椎的绘图b-d都来自同一根刺。

c,受刺激脊椎和相邻脊椎(5μm内)脊柱体积和-65 mV(uEPSC)下未激活EPSC振幅变化的平均时间进程。对于uEPSC,每一点是每隔5秒进行四次试验的平均值。在每四次试验测量之前,将未老化的点重新定位到脊椎尖端。

d日在LTP诱导前和诱导后60分钟,在单个脊髓上进行uEPSC(平均4次试验,用2 ms窗口过滤)。

作为对去极化的反应,树突轴中的CaMKII活性增加(寿命变化=0.079±0.018 ns),但脊椎中的活性降低(0.028±0.010 ns)(图3a、b). 谷氨酸去盖脉冲在受刺激的脊髓中引起额外的CaMKII激活(0.097±0.014 ns),但在相邻的脊髓中没有(图3a、b). 脊髓和树突状轴中的CaMKII活化在~2分钟内迅速衰减。LTP诱导过程中,脊髓和树突轴之间的CaMKII活化梯度较大,表明单个脊髓中CaMKI活化的高度区域化(图3a、b).

CaMKII的通道特异性激活

据报道,Ca2+对于由多个协议引起的LTP,需要通过VSCC19,23-26因此,我们进一步以较高的时间分辨率(2s;图4). 我们发现,去极化后2秒内树突状轴中的CaMKII激活增加,在去极化(16 s)期间持续,然后在复极后迅速衰减(图4a). 棘中CaMKII的激活(0.034±0.004 ns)小于树突中的激活(0.076±0.007 ns)。[加利福尼亚州2+]在去极化过程中,2s内衰减,几乎没有额外的Ca2+保持10秒以上(0.21±0.07μM)(补充图6b). 因此,这些结果表明,[Ca2+]在去极化过程中足以维持CaMKII激活超过~10 s。在去极化期间,T286A突变体的失活速度比野生型快得多(不到4 s)(图4b)表明CaMKII的长时间激活需要在T286进行自磷酸化,复极后CaMKIII活性的下降是由于T286的去磷酸化。反向传播动作电位的爆发(83 Hz,0.5 s,8次,2 s间隔)也在脊椎和树突中产生类似的CaMKII激活(图4d).

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突触后去极化对脊髓和树突CaMKII的差异激活

,高时间分辨率测量脊髓和树突中Green-Camuiα的荧光寿命变化,以响应脊髓(红色)和树突轴(黑色)中突触后去极化(0 mV,16 s,以条形表示)。12个神经元平均有53个棘和30个树突。青色线是通过拟合获得的双指数函数。棘的时间常数为11.3s(84%),>300s(16%),枝晶的时间常数分别为6.8s(60%)和43.7s(40%)。

b,Green-Camuiα的T286A突变体的荧光寿命变化。8个神经元平均有19个棘和14个树突。

c,在L型VSCC抑制剂(20μM尼莫地平)存在下,Green Camuiα的荧光寿命变化。来自7个神经元的平均22个棘和15个树突。

d日,反向传播动作电位(bAP)的爆发在近端树突(<100μm)诱导CaMKII激活。我们每隔2秒应用8次bAP脉冲,每次83赫兹,持续0.5秒。来自7个神经元的平均22个棘和12个树突)。

尼莫地平是L型VSCC的阻滞剂,在去极化过程中阻断了树突棘中CaMKII的激活(图4c). 树突状轴中CaMKII激活的峰值不受L型VSCC的阻断影响,但活性衰减更快(图4c). 因为L型VSCC只产生一小部分钙2+细胞去极化过程中的棘和树突状轴(补充图6d),L型VSCC依赖的CaMKII活化可能发生在L型VSCCs口的纳米结构域中4,27,28此外,全球Ca2+非L型VSCC开放引起的升高并没有激活脊髓中的CaMKII(图4c),尽管它与未激活诱发的Ca一样大2+标高(补充图6). 这一结果表明,全球Ca2+仅升高不足以激活棘中的CaMKII。

为了进一步验证CaMKII纳米结构域激活的假设,我们使用含有Ca的吸管进行了全细胞膜片钳2+螯合剂:EGTA或BAPTA。BAPTA和EGTA的离解常数与Ca相似2+但BAPTA的结合率高出约100倍29因此,EGTA抑制全局Ca2+纳米域Ca上2+比BAPTA更具选择性29与相同浓度的EGTA相比,BAPTA能更有效地抑制去极化诱导的CaMKII活化(图5a-f)表明纳米结构域Ca2+近钙通道足以激活脊髓和树突中的CaMKII。当神经元中装载EGTA时,去极化诱导脊髓中较大的CaMKII激活,表明存在全局Ca2+-依赖性CaMKII失活(图5b、c). EGTA存在下CaMKII活化动力学变慢(图5b、c)可能是由较小的Ca引起的2+-依赖性失活与单位时间内因钙减少而产生的较小激活相结合2+高程。与去极化诱导的CaMKII活化不同,EGTA和BAPTA都类似地还原了谷氨酸嵌合诱导的CaM KII活化(图5g-i),表明纳米结构域Ca2+单独使用CaMKII不足以激活CaMKI。

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钙的作用2+螯合剂对CaMKII活化的影响

a-e公司,脊髓和树突中Green-Camuiα的荧光寿命变化,以响应脊髓(红色)和树突轴(黑色)的突触后去极化(0 mV,0-16 s,用黑条表示),神经元的树突轴用不含Ca的电极拼接2+螯合剂(),5 mM EGTA(b),20 mM EGTA(c),5 mM BAPTA(d日)或20 mM BAPTA(e(电子)). 对照组样本数(脊椎/树突/神经元)为18/11/6()5 mM EGTA,29/14/7(b)20 mM EGTA,15/7/4(c),5 mM BAPTA为21/7/5(d日)20mM BAPTA为18/7/4(e(电子)). 在建立全细胞补片后15分钟以上进行成像。

(f),荧光寿命变化依赖于钙的去极化(平均0-16 s)2+螯合剂浓度(EGTA:闭圈,BAPTA:开圈,红色:棘状,黑色:树枝状)。荧光寿命归一化为对照。

g小时,Green-Camuiα对谷氨酸去激活的荧光寿命变化(6 ms,细胞外Mg为零时45次刺激2+)用含有1-20 mM EGTA的电极拼接的神经元(),1-5 mM BAPTA(小时)在电流灯模式下。在打补丁灯之前,在相同的神经元中测量对照。用不含Ca的内溶液修补夹具2+螯合剂不改变荧光寿命变化(补充图7). 用于控制的样本数(脊椎/神经元)为22/91 mM EGTA为12/3,5 mM EGTA为15/3,20 mM EGATA为17/3,控制输入为16/7小时1 mM BAPTA为17/4,5 mM BAPT为14/3。

,谷氨酸对Ca的去壳化诱导的荧光寿命变化依赖性(平均0-40 s)2+螯合剂浓度(EGTA:开环,BAPTA:闭环)。荧光寿命归一化为对照。

讨论

在本研究中,我们观察到LTP期间单个树突棘中的CaMKII激活。使用这种方法,我们证明了在2光子谷氨酸去钙诱导的LTP期间,CaMKII的激活主要局限于受刺激的脊椎(..1,1,,3).). 这表明CaMKII激活对LTP的突触特异性很重要。这一发现与Ras的激活形成对比,Ras是LTP诱导所必需的另一种分子30为了响应LTP诱导的刺激,Ras在受刺激的脊髓中被激活,然后被激活的Ras扩散至~10μm的树突长度,并通过扩散侵入附近的脊髓10限制性CaMKII激活可以通过脊椎和树突中CaMKIII的快速失活来解释(~5 s和~1 min:.2a、b,,4a)第4页)和缓慢的尖晶石-枝晶扩散耦合(~1和~20分钟:图2c、d)31:受刺激脊椎处激活的CaMKII在其扩散出脊椎之前被禁用。相反,Ras失活慢得多(~5分钟),而棘-枝晶耦合时间常数较小(~5秒)10这使得激活的Ras在失活之前扩散并侵入附近的脊椎。因为CaMKII和Ras在平行通路中作用,诱导LTP10,LTP的脊柱特异性可能由CaMKII产生,而Ras可能对LTP具有许可性,并负责树突状水平的信号传导,如LTP诱导阈值的调节10,14.

LTP诱导过程中CaMKII的快速失活(..1,1,,3))与之前的研究一致,该研究表明,LTP维护不需要持续激活CaMKII32,33然而,这似乎与证明在LTP诱导后T286磷酸化持续的生化研究不一致34,35这种差异可能是由于样品制备(急性切片与培养切片)、测得的CaMKII群体(包括胞体与单个突触的整个裂解物)或刺激范式的差异造成的:以前的大多数生物化学研究使用强烈刺激在大量突触中诱导LTP,而我们在单个突触中诱导LTP。或者,只有与NMDARs NR2B亚基结合的CaMKII亚基亚群才能维持其活性,36考虑到PSD中的CaMKII比NMDAR多37持续激活的CaMKII亚群可能低于我们方法的检测阈值。

我们发现T286磷酸化是CaMKII高激活所必需的,以响应重复的2光子非激活(..1亿,1亿,,2a)。2a个). [加利福尼亚州2+]每次开盖后瞬态仅持续~0.2 s(补充图6a-c),由于钙含量高2+脊椎和树突中的挤压17因此,Ca2+/如T286A Green-Camuiα的激活时间过程所示,在这些刺激后,CaM应迅速从CaMKII中解离(..2a、,2a个,,4b)。4b个). T286的磷酸化延长CaMKII的激活约5 s(..2a、,2a个,,4a),第4页),并允许在重复解锁过程中积累活化的CaMKII(图2a).

我们的成像结果表明,树突棘和树突轴中的CaMKII活化受不同的Ca调节2+细胞去极化反应的来源:树突棘中的CaMKII被L型VSCC特异性激活,而树突轴中的CaM KII除L型VSCCs的少量作用外,主要由非L型通道激活(图4). 因为L型VSCC对全球Ca没有贡献2+在脊椎和树突轴中(补充图6d),L型VSCC依赖的CaMKII活化必须在L型VSCCs口的纳米域中产生4,27,28.使用钙的实验2+不同结合率的螯合剂(图5a-f)也表明纳米结构域Ca2+在脊髓和树突中,钙通道足以激活CaMKII以响应细胞去极化。因为几种方案诱导的海马LTP需要L型VSCC19,23-26L型VSCC激活CaMKII,尽管比NMDAR小(..3,,,4),4)可能对LTP的调制很重要。

与CaMKII对去极化的激活不同,纳米结构域Ca2+仅NMDAR介导的CaMKII激活是不够的(图5g-i). 因为全球Ca2+通过非L型VSCC提升,尽管其高度和持续时间与无套管的[Ca一样长2+]高程(补充图6d),不足以激活脊椎中的CaMKII(图4c),NMDAR介导的CaMKII活化可能需要全局和纳米域Ca2+因此,CaMKII激活机制取决于Ca来源的通道2+发生流入。这种差异可能是由于通道附近的CaM定位不同所致。此外,钙的动力学2+-依赖性蛋白磷酸酶活性在形成CaMKII的时空动力学中可能很重要(图5a-f).

大多数LTP诱导方案涉及突触后去极化18,仅此一种就可以产生大量钙2+在脊椎中(补充图6)19然而,为什么单靠突触后去极化不能诱导突触非特异性LTP仍然是一个谜18,19我们的结果表明去极化仅激活与L型VSCC相互作用的CaMKII的一个子集,这可能不足以诱导LTP38因此,局部Ca2+-脊髓中介导的通道特异性CaMKII激活在诱导突触特异性LTP中起着重要作用。

方法总结

Green-Camuiα由Camuiα制成5将ECFP替换为mEGFP,将Venus替换为REACh(VenusA206K,T145W 7,39). 如前所述,从出生后第6-8天的大鼠制备海马培养切片40.使用弹道基因转移稀疏地将Green-Camuiα和mCherry转染神经元11体外培养8~14天,转染后2~5天成像。使用2pFLIM测量CaMKII活性,使用常规双光子显微镜测量脊椎中mCherry(红色)的荧光强度来监测脊椎体积变化9,10使用ANOVA进行统计检验,然后进行最不显著差异的事后检验。所有误差条均表示标准偏差。

补充材料

1

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致谢

我们感谢H.Murakoshi提供纯化的mEGFP和技术建议,Y.Hayashi提供cDNA和shRNA,A.Wang提供培养切片,T.Zimmerman和D.Kloetzer提供实验室管理,M.Ehlers、C.Harvey、J.Lisman、M.Patterson、S.Raghavachari、K.Svoboda、R.Weinberg和H.Zhong对手稿的评论。本研究由Burroughs Wellcome基金会、Dana基金会、Alfred P.Sloan基金会、自闭症演讲会、全国自闭症研究联盟、白厅基金会、阿尔茨海默协会、国家心理健康研究所(R01MH08004)、国家科学基金会(0642000)、,杜克大学本科生研究支持拨款(S.-J.R.L)、霍华德·休斯神经科学论坛奖学金(S.-JR.L)和露丝·K·布罗德基金会(E.M.S.)。

附录

方法

构件

Camuiα(Venus CaMKIIα-CFP)和针对CaMKIIα的短发夹(sh-)RNA由Y.Hayashi博士提供5.绿色Cumiα是通过将Venus与REACh(Venus41单体突变A206K6和暗突变,T145W7,39,42)和带mEGFP(EGFP)的CFP206万澳元)39.

准备

如前所述,从出生后第6天或第7天的大鼠中制备海马切片培养物40培养9-14天后,细胞被弹道基因转染11使用金珠(9-11 mg),涂有含有绿卡姆(35μg)和樱桃(16μg)cDNA的质粒。在我们的大多数实验中,每个切片都使用一个神经元。样品按照杜克大学医学中心的动物护理和使用指南制备。

成像

使用2pFLIM的FRET成像细节已在前面描述9,39使用调谐为900或920 nm的Ti:Sapphire激光器同时激发绿色-Camuiα和mCherry39.使用表观和反荧光进行检测。荧光用二向色镜(565 nm)分光,并用放置在波长滤波器后的PMT检测(Chroma,HQ510/70-2p表示绿色,HQ620/90-2p表示红色)。对于绿色通道中的荧光寿命成像,将低转移时间扩展的PMT(H7422-40;哈马松)放置在外荧光位置。对于强度成像,使用宽孔径PMT(R3896;哈马松)。荧光寿命图像是在PCI板(SPC-730;Becker-Hickl)上生成的,该板由使用Matlab 7.0编写的自定义软件控制。

荧光寿命图像分析

Green-Camuiα的荧光寿命至少应该有三个组成部分,包括开放构象、闭合构象和施主与未折叠受体9因此,很难建立完整的模型并进行曲线拟合。相反,多个群体的平均荧光寿命τ是根据平均光子到达时间测量的<t吨>如下9:

τ=t吨t吨0=d日t吨t吨F类(t吨)d日t吨F类(t吨)t吨0,

哪里F类(t吨)是荧光寿命衰减曲线(补充图1a),t吨是时间,并且t吨0是偏移量。我们估计了偏移量t吨0每次实验前,用双指数函数拟合神经元中表达的Green-Camuiα的荧光寿命衰减曲线,并进行比较<t吨>两个群体的平均荧光寿命如下:

t吨0=d日t吨t吨F类(t吨)d日t吨F类(t吨)τ~d日t吨t吨F类(t吨)d日t吨F类(t吨)P(P)1τ12+P(P)2τ22P(P)1τ1+P(P)2τ2,

哪里P(P)1P(P)2是分数和τ1和τ2是通过拟合得到的两个群体的荧光寿命。荧光寿命的变化与t吨0因此,它既不依赖于模型,也不依赖于曲线拟合。

在静息状态下,野生型的Green-Camuiα在脊椎中的荧光寿命为1.82±0.02 ns(图1补充图4混合),T286A为1.84±0.02 ns(图1补充图4)T305D为1.81±0.03纳秒(补充图4). AP5在静息状态下有药物存在时的荧光寿命为1.77±0.06 ns(图1)KN62为1.67±0.03 ns(图1)尼莫地平为1.81±0.02 ns(图4),1-20 mM EGTA为1.80±0.01 ns(图5),对于1-20mM BAPTA为1.83±0.02纳秒(图5). 因此,除了KN62显著降低荧光寿命外,我们在本研究中使用的大多数药物都没有改变荧光寿命(第页<0.05,对照组和KN62之间的对比图1).

双光子谷氨酸开盖

使用720 nm调谐的激光在细胞外溶液中开盖MNI-笼状谷氨酸(2 mM)。使用相同的振镜扫描镜来控制成像和非相干激光。激光光斑被引导到脊椎图像的尖端(补充图8)4 mW的4-6 ms脉冲刺激脊椎上的谷氨酸受体。这产生了2-20 pA的突触后电流(图3d,补充图8). 谷氨酸去壳的分辨率为~1μm(补充图8). 诱发电流微弱地依赖于脊椎尖端和非钩点中心之间的距离(补充图8). 激光的强度由一个痘细胞(Con-Optics)进行调节。对于LTP实验(图3),在每一次去盖治疗之前,将去盖点重新定位(每一次治疗包括4次0.2 Hz的谷氨酸去盖试验。每10分钟重复一次治疗,图3c). 连续监测串联电阻和输入电阻,如果其变化超过20%,则拒绝进一步分析测量值。诱导脊椎的结构可塑性(..1,1,2b天,5g-i型),我们使用ACSF(130 mM NaCl,2.5 mM KCl,2 mM NaHCO,1.25 mM NaH2人事军官4和25 mM葡萄糖),含有4 mM CaCl225-27°C下,1μM TTX和2 mM MNI-笼式左旋谷氨酸盐。为了通过配对协议诱导LTP,我们添加了1 mM MgCl2.

光浸出(FRAP)和光活化后的荧光恢复

对于FRAP(补充图4b-c)在感兴趣的脊柱上放置成像激光(调谐为920nm)1-8s,对脊柱荧光进行光漂白。激活光活化GFP(paGFP;图2c、d)在感兴趣的脊椎上放置了20毫秒的无盖激光器(调谐为800纳米)。

电生理学

使用贴片吸管(4-9 MΩ)进行全细胞膜片钳。我们使用串联电阻低于25 MΩ的电池进行实验。使用配对协议诱导LTP(图3)或诱导细胞去极化(.4a-d型,5a-f型),我们使用Cs在电压箝位模式下进行了实验+内溶液(130 mM CsMeSO,10 mM磷酸钠,4 mM氯化镁2,4 mM钠2-ATP,0.4 mM Na2-GTP,10 mM Cs-HEPES(pH 7.3])。诱导反向传播动作电位(图4d),我们在电流灯模式下使用K注入4 nA,4 ms电流脉冲+基于内部解决方案(Cs+被替换为K+)和含4 mM CaCl的ACSF2,4 mM氯化镁2100μM APV和10μM NBQX。用于使用BAPTA或EGTA的实验(图5),我们在用包括BAPTA或EGTA在内的吸管建立全细胞膜片钳后约15分钟开始成像。去极化(图5a-f)和谷氨酸脱羧酶(图5g-i)分别在电压钳位和电流钳位模式下进行。用1、5和20 mM EGTA或BAPTA制备内溶液(图5),我们制备了100 mM K-EGTA和K-BAPTA(pH 7.3),并将该溶液的1%、5%和20%体积与99%、95%和80%体积的Cs混合+- (图5a-f)或K+- (图5g-i)分别基于内部解决方案。然后,我们重新调整渗透压至290-300,pH值至7.3。

钙显像

2+成像(补充图6)如前所述执行43我们使用含有Ca的电极对培养海马薄片中的神经元进行全细胞膜片钳2+-敏感绿色染料(500μM Fluo-4FF)和钙2+-Cs中的不敏感红色染料(300μM Alexa-594)+内部解决方案。每32毫秒采集一次图像(补充图6a-c)或256毫秒(补充图6d). 在成像过程中,标准化的绿色信号与红色信号的荧光变化平均值的比率(ΔG公司/R(右))被用作[钙2+]瞬态。这两个荧光团都是用调谐为920nm的Ti:Sapphire激光器同时激发的。[Ca的变化2+](Δ[Ca2+])测量结果为:

Δ[2+]=(ΔG公司/R(右))K(K)D类(G公司/R(右)),

其中(G公司/R(右))是Ca饱和时绿色和红色信号的比率2+用吸管测量(10 mM),以及K(K)D类Fluo-4FF为10.4μM43.

细胞内Green-Camuiα浓度的测量

为了测量神经元中mEGFP-CaMKII或Green-Camuiα的浓度,我们在双光子显微镜下测量了神经元厚树突处mEGFP的荧光强度,与在相同成像装置下测量的纯化mEGFP(1μM)的亮度相对。当测量大于2光子激发体积(~0.9飞秒)的物体时,亮度应与荧光团的浓度成正比。我们过度表达了多istidine标记的mEGFP(His6)(pRSET-他的6-mEGFP)英寸大肠杆菌并使用Nickel NTI亲和柱对其进行纯化。通过mEGFP(A)的吸光度测量纯化蛋白的浓度489=56000厘米-1M(M)-1)44。对于Green-Camuiα,由于FRET降低了其绿色荧光,因此我们通过乘以τ来校正此效应微EGFP/ τGreen-Camuiα~1.4,其中τ微EGFP和τGreen-Camuiα分别是mEGFP(2.6 ns)和Green-Camuiα(1.8 ns)的荧光寿命。

体外荧光寿命测定

测定细胞裂解液中Green-Camuiα的荧光寿命(补充图1),我们使用Lipofectamine 2000将Green-Camuiα转染HEK-293细胞。用含有40mM HEPES(pH 8.0)、0.1mM EGTA、5mM醋酸镁、0.01%吐温20的溶液溶解细胞,并用离心过滤器(Microcon、Millipore)浓缩以去除CaM和ATP。将裂解物在136.5mM葡萄糖酸钾、17.5mM KCl、9mM NaCl、1mM MgCl中稀释至15倍2,0.2 mM EGTA,10 mM HEPES-KOH(pH 7.2)。我们测量了自由[Ca增加时的荧光寿命2+]通过添加0.5 mM CaCl2然后还原游离钙2+]通过加入2mM EGTA。

免疫荧光成像

用Green-Camuiα(或mEGFP-CaMKIIα)和替代mCherry的空载体转染切片。在平行实验中,使用针对CaMKIIα(35μg)和mEGFP(16μg)的shRNA验证免疫染色的特异性。切片在4%多聚甲醛和4%蔗糖(在0.1 M磷酸盐缓冲液中)中固定15分钟,然后在室温下在30%蔗糖中培养15分钟。然后使用厚度为25μm的振动器重新切割切片。将切片渗透并在4°C下在1%Triton-X100加5%正常山羊血清中隔夜封闭,然后在10%山羊血清中封闭30分钟(在0.1 M磷酸盐缓冲液中)。使用小鼠抗CaMKIIα抗体(GeneTex Inc.,德克萨斯州圣安东尼奥)作为主要抗体,在4°C下进行24小时免疫染色,该抗体在PBS-T(磷酸盐缓冲液加0.1%Triton-X100)中的5%山羊血清中稀释为1:400。在PBS-T中清洗3次(每次20分钟)后,用德克萨斯红结合的山羊抗鼠二级抗体(Invitrogen/Mollecular Probes)将切片与PBS-T的10%正常山羊血清中稀释1:400的德克萨斯红结合山羊二级抗体孵育。在双光子显微镜下对不包括细胞核的细胞体进行免疫荧光定量(补充图2). 该值减去光电倍增管的暗噪声。mEGFP荧光有百分之几通过红色通道。为了纠正这种影响,我们测量了比率(第页)使用纯化的mEGFP在红色和绿色荧光之间进行荧光。然后,将漏气修正为:

德克萨斯州红红色 − 第页绿色

哪里红色德克萨斯州红是校正前后的免疫荧光,以及绿色是绿色通道中的mEGFP荧光。

免疫沉淀

使用Lipofectamine 2000将Green-Camuiα和/或CaMKIIα转染HEK-293细胞。在含有20 mM Tris-HCl、pH 7.4、137 mM NaCl、0.5%脱氧胆酸、25 mMβ-甘油磷酸、1 mM原钒酸钠、2 mM焦磷酸钠、2 m M EDTA、1 mM氟化钠、0.5 mM DTT、无EDTA蛋白酶抑制剂鸡尾酒(Roche)的缓冲液中溶解细胞,并在4°C下培养30分钟。在4°C下以13000 rpm的转速进行30分钟微型离心分离后收集上清液。在用蛋白A-Sepharose(Sigma,St.Louis,MO)进行预清洗后,将样品与5μg/样品的小鼠单克隆抗绿色荧光蛋白抗体(MBL,Nagoya,Japan)或小鼠非免疫IgG(Jackson Laboratories,ME)在4°C下培养过夜。在4°C下用蛋白G-Sepharose珠(西格玛,圣路易斯,密苏里州)沉淀免疫复合物1小时,并通过Western blotting进行分析(补充图9).

波动相关光谱(FCS)

FCS在双光子显微镜下进行,Ti:Sa激光器在25-27°C下调谐至900 nm45荧光信号用光电倍增管(PMT;H7422-40,Hamamtsu)检测,并用PCI板(SPC-140;Becker-Hickl)采集。用Lipofectamine 2000转染HEK293细胞,使其表达2天,在含有40mM HEPES(pH 8.0)、0.1mM EGTA、5mM醋酸镁、0.01%吐温20的溶液中溶解,并在含有10mM Na-HEPES(pH 7.4)、150mM NaCl和0.1mM EGTA的溶液中稀释至10-100倍。

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