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J签证费用。2013; (75):50317。
2013年5月7日在线发布。 数字对象标识:10.3791/50317
预防性维修识别码:项目经理3679584
PMID:23685703

靶向酯酶诱导染料负载(TED)直接成像内质网钙

摘要

钙动力学的可视化对于理解钙在细胞生理学中的作用非常重要。为了检测钙动力学,合成荧光钙2+起诉已变得流行起来。在这里,我们展示了TED(=靶向酯酶诱导的染料负载),这是一种改善Ca释放的方法2+不同细胞类型的ER管腔中的指示染料。迄今为止,TED被用于细胞系、胶质细胞和神经元在体外TED的基础是使用表达羧酸酯酶(CES)的载体构建物,高效、重组地靶向内质网腔的高羧酯酶活性。最新的TED载体包含CES2的核心元素,与红色荧光蛋白融合,从而实现同时双色成像。内质网中游离钙的动态以一种颜色显示,而相应的内质网结构以红色显示。在程序开始时,细胞被慢病毒转导。随后,将受感染的细胞接种在盖玻片上,最终实现活细胞成像。然后,用低亲和力钙的乙酰氧基甲酯(AM-ester)形式培养活细胞2+指示剂,例如Fluo5N-AM、Mag-Fluo4-AM或Mag-Fura2-AM。内质网中的酯酶活性从钙的AM形式中分离疏水侧链2+指示剂和亲水荧光染料/Ca2+复合物形成并滞留在内质网腔中。染料加载后,细胞在倒置共焦激光扫描显微镜下进行分析。细胞连续灌流林格样溶液,通过延时成像直接显示内质网钙动力学。内质网钙释放通过感兴趣区域的荧光强度降低来确定,而内质网钙质库的重新填充会导致荧光强度增加。最后,通过计算ΔF/F确定荧光强度随时间的变化0.

关键词:细胞生物学,第75期,神经生物学,神经科学,分子生物学,生物化学,生物医学工程,生物工程,病毒学,医学,解剖学,生理学,外科学,内质网,ER,钙信号,钙储存,钙成像,钙指示剂,代谢信号,Ca2+,神经元,细胞,小鼠,动物模型,细胞培养、靶向酯酶诱导染料负载、成像

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引言

为了解决内质网的生理钙反应,我们开发了一种新的策略来改进合成钙敏感染料在内质网中的捕获。该方法能够在存在细胞外钙的情况下直接、无中断地实时监测游离内质网钙。

内质网钙的功能和信号转导

钙信号存在于不同的细胞类型中,例如肌细胞、神经元和神经胶质细胞及其功能从调节肌肉收缩到参与学习和记忆中的突触传递1,2游离钙浓度的变化具有很高的科学价值,因为钙参与基因转录、细胞增殖、神经元兴奋性、细胞死亡和其他细胞信号事件的调节1-7所有这些细胞钙信号在功能上相互关联,并有助于细胞内钙储存动力学8-10.

所有钙信号中的一个共同特征是钙在细胞外间隙、胞浆和细胞器(主要是内质网和线粒体)之间的流动。这会导致这些细胞器内钙浓度的动态变化,这些变化由不同的信号成分感应。一般来说,内质网中的钙浓度在100至800μM之间,细胞溶质中的钙含量接近100 nM,细胞外空间中的浓度约为1-2 mM。因此,钙流向细胞溶质的化学驱动力很高2,9,10.

最常见的ER-衍生钙信号依赖于G蛋白偶联受体(GpcR)的刺激,后者随后激活磷脂酶C(PLC)。PLC反过来产生肌醇1,4,5-三磷酸(IP)1IP绑定后至其受体(IP-Rec中,图1)在内质网膜中,钙离子从内质网腔中释放出来。历史上,IP-Streb首次在腺泡胰腺细胞中间接测量了内质网介导的钙释放等。1983年11该出版物首次提出了涉及乙酰胆碱、磷脂酶C和IP的信号级联这种钙释放方式通常称为IP-诱导钙释放(图1). 受体酪氨酸激酶对磷脂酶Cγ的激酶依赖性激活将生长因子和神经营养因子的作用与IP后ER钙信号传导联系起来高程12除IiCR外,钙升高可能由离子性钙进入介导,例如通过电压门控钙通道(Ca)以及随后由ryanodine受体(RyR)引起的钙诱导钙释放(CiCR)。IiCR和CiCR在生理上与存储操作钙输入(SOCE)有关。SOCE包括STIM(基质相互作用分子)的作用,STIM是ER钙释放的传感器。STIM已被证明通过瞬时受体电位通道(Trp)刺激细胞外钙进入13、Orai钙通道14甚至电压门控钙通道15(图1) . 内质网钙ATP酶(SERCA)的作用可以动态地修复内质网中钙的丢失,该酶可以主动地将钙泵入内质网。用thapsigargin等药物阻断SERCA,可以揭示内质网的钙持续丢失到细胞溶质室。这种内质网钙“渗漏”是由内质网膜内孔复合物如Sec61蛋白复合物引起的16,17(图1).

1998年,Berridge发表了一个模型,即“神经元中的神经元模型”,它表明ER在整合神经元钙方面的主要生理作用5该模型考虑了连续内质网膜系统的存在,该系统形成了神经元质膜的细胞内“图像”5这种二元真核细胞膜系统被认为是神经元快速和缓慢钙信号时空整合的基本前提。伴随或随后发生在同一神经元不同棘或树突中的钙信号通过内质网传递给细胞体或细胞核,并在内质网中进行汇总5,18那么,它们的总和可能会对神经元的兴奋性、基因转录的调节或信号级联的整合产生影响。因此,ER支持钙信号的整合。这一概念的一个先决条件是单个细胞内质网的连续性,这一点已被多项研究所证实,至少在体树突状区和短距离轴突投射方面得到了证实19-21长轴突投射中是否存在内质网连续性尚存在争议。

测量ER膜上游离钙流量的策略

钙信号在胞浆中最常见22,23因此,很难区分Ca2+从细胞外或细胞内储存流入胞浆6,24为了克服这一局限性,已开发出直接ER钙显像的方法学策略。总之,使用了以下策略:(1)ER靶向基因工程蛋白诱导物25-27.基于蛋白质的低亲和力Ca2+指示剂使用生物发光蛋白aequorin或GFP结合钙敏感蛋白。这些基因工程钙2+指示物(GECI)可以在信号肽的帮助下靶向内质网,并通过保留和检索基序在内质网中积极保持。普通ER Ca2+指示器基于卡梅隆原理,是卡梅隆YC4.326,28; Cameleon分体式YC7.3ER29,和Cameleon D130. (2)AM-ester低亲和力的直接酯酶染料负载2+ 指标31,32.指示染料的AM衍生物(Mag-Fura2-AM、Mag-Fluo4-AM或Fluo5N-AM)以亲脂、钙不敏感的状态通过生物膜。然后,在胞浆和内质网中,内源性酯酶裂解AM-ester基团并释放Ca2+指示剂,在胞浆和内质网中留下一定量的活性染料。因此,只要胞浆钙浓度远低于低亲和力指示剂的检测限,特别是在特征钙信号期间,这种方法在内质网钙浓度高的情况下是有用的(例如nM至低μM)。()AM-酯类负荷与质膜渗透相结合32.任何剩余的胞质钙2+使用少量“温和”清洁剂通过质膜渗透去除指示剂(例如皂苷)在人工细胞内缓冲液中。因此,细胞膜可能受到刺激,例如带IP在细胞内缓冲液中,直接通过质膜中的“孔”。(4)全细胞形态下细胞溶质的透析及钙的同时测定2+内质网腔和胞浆中 32,33.细胞首先装载低亲和力钙2+指示器(例如Mag-Fura2-AM,比例,紫外线)。然后,在贴片吸管的帮助下,任何剩余的细胞溶质低亲和力钙2+指示剂通过含有高亲和力钙的缓冲液从细胞溶质中透析出来2+指示器(例如Fluo-3,可见光)。这种策略可以同时记录细胞溶质和ER衍生信号。(5)靶向酯酶诱导的染料负载8,34羧酸酯酶(CES)靶向内质网腔,并提供高酯酶活性,以有效捕获AM-酯类形式的低亲和力钙2+指标。

靶向酯酶诱导的染料负载(TED)

提高低亲和力钙的靶向性2+ER流明指示器TED被开发出来。TED需要ER靶向小鼠羧酸酯酶(CES2)的过度表达(图2),这是通过表达式构造实现的。表达重组CES构建物的细胞与钙指示染料(Fluo5N-AM,图2). 然后,在ER中,染料转化为Ca2+敏感、不透膜Ca2+指示剂复合体(Fluo5N/Ca2+)通过高酯酶活性,从而在内质网腔中捕获高浓度的染料8,34该方法特别适用于通过IiCR通路(例如通过代谢性、嘌呤能或谷氨酸受体)研究内质网钙释放8,34并通过“渗漏通道”直接观察内质网钙耗竭,例如在阻断SERCA后17,34根据我们的经验,低亲和力钙2+指示剂Fluo5N-AM是目前与TED染料装载策略一起使用的最佳指示剂。Fluo5N-AM对Ca的亲和力低2+(离解常数KD类~90μM,图2),在其AM形式中几乎无荧光,但在钙结合时提供高荧光发射8,34.Fluo5N/Ca2+该络合物可以用约490 nm的标准光源激发,这对应于FITC、Alexa 488或eGFP等标准染料。胞浆钙信号几乎没有达到低μM范围内的浓度,因此,Fluo5N在胞浆中几乎检测不到35.

为了提高TED的性能,开发了几种重组载体结构(图3). 最初,TED向量基于CES2的编码序列(Refseq登录号NM_145603号CES2c)和最佳TED性能通过CES结构的稳定表达观察到。新的TED载体表达与红色荧光蛋白TagRFP-T2融合的CES2核心元件36这些载体的优点是可用于识别转导细胞,并将红色荧光用作Fluo5N/Ca变化正常化的内部控制2+荧光。红色荧光还提供了可视化内质网结构分布和刺激条件下内质网动力学变化的可能性。

协议

本协议将TED应用于细胞系、海马神经元和皮质胶质细胞。当TED载体稳定表达时,例如通过慢病毒载体,TED性能最佳。TED方法的示意图如所示图4.

1.溶液的制备

以下溶液应在启动前准备好,并可按指示储存。我们通常使用消毒玻璃和塑料材料以及高压水。

  1. 制备HEPES-指状物(单位:mM):125 NaCl,3 KCl,25 HEPES,2 MgSO4.7小时2O、 2氯化钙2,1.25 NaH2人事军官4.H型2O、 10葡萄糖。H(H)2O.无钙HEPES-指状物包括(单位:mM):127 NaCl、3 KCl、25 HEPES、2 MgSO4.7小时2O、 1.25 NaH2人事军官4.H型2O、 10葡萄糖。H(H)2O和0.1EGTA。如果没有葡萄糖,这些成像溶液可以保存在4°C。在使用之前,新鲜添加所需量的D-葡萄糖。
  2. 对于海马神经元的TED分析,建议使用人工脑脊液(ACSF)。ACSF由以下成分组成(单位:mM):127 NaCl,23 NaHCO,3 KCl,2.5 NaHPO4.H型2O、 25 D-葡萄糖。H(H)2O、 2氯化钙2,2氯化镁2.7小时2ddH中的020
  3. 制备浓度为5 mM的Fluo5N-AM。为了有助于溶解,将8.9μl 20%Pluronic F-127(在DMSO中,室温下储存,防潮避光)添加到50μg冻干的FluoSN-AM中。然后通过水浴声波仪溶解Fluo5-AM至少2分钟。将0.5μl等分样品储存在-20°C下,避光防潮。
  4. 根据需要准备拮抗剂和激动剂储备。例如:a)10 mM ATP或ADP(单位:H2O、 嘌呤能受体的代谢激活),b)H中10 mM卡巴胆碱2O(毒蕈碱型乙酰胆碱受体激动剂),c)DMSO中的30 mM环硫腙酸(CPA)(SERCA的阻断剂),d)PBS中的50 mM DHPG(mGluR代谢型谷氨酸受体激动剂和mGluR5),e)H中的10 mM谷氨酸2O、 f)DMSO中的1 mM离子霉素(离子载体),DMSO(SERCA的高亲和力阻滞剂)中的5 mM thapsigargin。将等分样品储存在-20°C下。
  5. 慢病毒载体:本协议包括慢病毒TED表达载体颗粒的使用。它们的生产和存储不属于本协议的一部分。我们使用第二代慢病毒载体将重组羧酸酯酶转移到细胞系、胶质细胞和神经元。我们的慢病毒系统基于表达载体FUGW37、包装质粒pCMVΔR8.91或psPAX2和假分型质粒pMD2.G38,39.注意:考虑到重组自激活慢病毒载体的工作需要仔细考虑生物安全指南。在许多国家,这些病媒被归类为生物危害风险类别2。有关更多信息,请参阅http://www.addgene.org/慢病毒/.

2.小鼠海马神经元的制备及病毒感染

  1. 在直径为20 cm的玻璃皮氏培养皿中清洗玻璃盖玻片(每皿100个盖玻片),1x加入70%乙醇中约30分钟。最后,添加100%乙醇(每年)2分钟。去除残留乙醇,并在无菌罩下干燥盖玻片。
  2. 制备两种不同的海马神经元培养基:(a)B27 1:50的神经基底培养基;(b) 全培养基:神经基础培养基,B27 1:50,谷氨酰胺1:100,N2补充1:100。无菌过滤培养基,并将其保存在细胞培养箱中,直至使用。
  3. 在解剖前一天,首先在4孔细胞培养皿的每个孔中放置一个无菌的10mm盖玻片,以制备盖玻片。然后,在每张盖玻片上仔细涂上80-100μl 0.1%聚-l-赖氨酸,并将培养皿存放在培养箱中过夜。
  4. 在解剖和细胞培养当天,首先用100μl HBSS清洗盖玻片三次,并将100μl神经基底培养基转移到每个盖玻片中。将盘子放入培养箱中进行平衡(例如在解剖小鼠时)。

解剖

我们按照欧盟的指导方针进行小鼠实验,该指导方针得到了我们机构动物护理和利用委员会的批准。

  1. 取出整个大脑,双侧解剖海马。
  2. 小心移除除海马体以外的所有脑膜和组织,并将每个海马体放在一个1.5 ml的含有450μl HBSS的试管中。将组织保存在冰上,直到分离出足够数量的海马。

细胞培养

  1. 向每个试管中添加50μl 1%胰蛋白酶(沃辛顿),并在37°C水浴中培养15分钟。偶尔摇晃试管。为了停止消化反应,向每根试管中添加50μl 1%胰蛋白酶抑制剂,并翻转试管数次。
  2. 将多达5个海马的所有组织转移到一个15毫升的猎鹰管中,避免转移液体。添加B27-培养基(a)至最终体积为5 ml。
  3. 使用经过火抛光的巴斯德玻璃吸管,小心地上下吸液,将纸巾搅碎。注意:避免气泡!
  4. 用400 x g旋转3分钟,吸取上清液并将细胞颗粒重新悬浮在5 ml B27-培养基(a)中。
  5. 用玻璃吸管再次将组织Triturate,然后在1000μl塑料滤嘴的帮助下两次。按照步骤2.9和2.10中的说明执行此操作。
  6. 最后一次离心后,将细胞颗粒重新悬浮在2 ml全培养基(b)中,并用200μl塑料滤嘴研磨细胞。为了将剩余的细胞团从单细胞悬浮液中分离出来,让细胞团静置1-2分钟。
  7. 计数细胞并计算病毒感染所需的细胞总数。对于TED成像,每10 mm盖玻片使用25000个细胞。
  8. 此时建议额外镀25000个非转导细胞作为对照。

病毒感染

  1. 将病毒感染的细胞悬液转移到一个新鲜的15毫升猎鹰试管中,在400 x g的条件下离心3分钟。
  2. 吸取上清液并将细胞重新悬浮在300μl培养基中(b)
  3. 添加适量感染性慢病毒TED表达载体颗粒,将猎鹰管在室温下放置10分钟。
  4. 将试管装满培养基(b)至电镀所需的最终体积(每10 mm盖玻片100μl),从盖玻片中吸取培养基,并立即将100μl细胞悬浮液置于每个盖玻片上。
  5. 将培养皿放入培养箱中,直到所有细胞都沉淀下来(约2小时),然后小心地将培养皿装满,直到它们含有2毫升培养基(b)。
  6. 让神经元至少生长一周。每周更换50%的介质。

3.小鼠皮层神经胶质细胞的培养和病毒感染

准备

  1. 首先制备基础胶质细胞培养基(DMEM/F12与10%FCS、5%HS、1%青霉素/链霉素、0.45%葡萄糖的1:1混合物),并用4 ml 0.5 ng/ml聚-DL-鸟氨酸氢溴酸盐(PORN)(在150 mM硼酸溶液中稀释,pH 8.35)覆盖T75细胞培养瓶。在37°C下培养2小时或过夜后,用HBSS清洗细胞培养瓶三次,并添加含有B27 1:50和10 ng/ml EGF的18 ml基底胶质细胞培养基。在培养箱中平衡细胞培养瓶(最多3小时)。

解剖

  1. 我们按照欧盟的指导方针进行小鼠实验,该指导方针得到了我们机构动物护理和利用委员会的批准。
  2. 如2.5所述,解剖一只P5-P7小鼠的大脑,并从两侧大脑半球移除海马和脑膜。
  3. 解剖额叶皮层,将其切成几小块,并将其收集在含有HBSS的1.5毫升试管中。将试管储存在冰上,然后进入细胞培养部分。

细胞培养

  1. 使用火焰抛光玻璃吸管将试管中的所有组织转移到15毫升猎鹰试管中。
  2. 添加基本培养基至最终体积为5 ml,用火焰抛光玻璃吸管上下吸管数次,研磨组织。在300 x g离心3分钟后,抽吸培养基,并在5 ml基础培养基中重新悬浮细胞颗粒。
  3. 重复步骤3.5两次。
  4. 第三次离心后,将细胞颗粒重新悬浮在含有B27(1:50)和10 ng/ml EGF的2 ml基底胶质培养基中。
  5. 再次滴定,将细胞悬液转移到准备好的T75细胞培养瓶中,让细胞生长3-4天。

清洗胶质细胞(培养3-4天后):

  1. 用10毫升PBS清洗细胞一次,用手用力轻敲或轻轻敲打烧瓶几次,同时用另一只手紧紧握住烧瓶。通过这一步骤,细胞碎片和细胞簇从培养物中清除。
  2. 吸入PBS,并添加含有B27(1:50)和10 ng/ml EGF的新鲜基底胶质培养基。继续培养5-7天,直到细胞达到80%的融合。

胶质细胞的分裂、转导和最终播种:

  1. 在10 mm盖玻片上涂上100μl聚-D-赖氨酸(储备溶液:0.1%,在PBS或HBSS中稀释1/50和20μg/ml),并在培养箱中培养一夜。用HBSS清洗盖玻片三次,并添加100μl基底胶质培养基。平衡培养箱中的盖玻片(3小时)。
  2. 用10 ml PBS清洗胶质细胞两次,抽吸PBS,并添加3 ml胰蛋白酶(未稀释的胰蛋白酶)。胰蛋白酶化细胞长达1分钟。注意:避免过度胰蛋白酶化。正常情况下,超过80%的细胞在1分钟后脱落,这足以产生数百万个健康细胞。
  3. 通过添加10 ml基础胶质培养基停止反应,将细胞悬液转移到15 ml猎鹰管中,以300 x g离心3分钟。吸取上清液,并将细胞颗粒重新悬浮在5 ml基础胶质介质中。
  4. 再次按照步骤3.15所述进行旋转和抽吸,然后将细胞重新悬浮在5 ml基底胶质细胞培养基中。
  5. 将所需数量的细胞转移到1.5 ml试管中。104-2x10个4胶质细胞足够一张10毫米的盖玻片。通常,一个4孔培养皿用于传感器细胞的悬浮液体积小于200μl。向细胞中添加适量慢病毒TED表达载体颗粒,并在室温下培养10分钟。然后用基本胶质细胞培养基填充悬浮液至播种体积(每张盖玻片100μl)。
  6. 每个盖玻片种100μl受感染细胞并孵育约2小时,然后添加含有B27 1:50和10 ng/ml EGF的基底胶质培养基至最终体积为2 ml。
  7. 为了获得理想的培养条件,在电镀后第3-7天使用细胞进行实验。

4.报告细胞系的产生和培养

在HeLa、BHK21、Hek293和SH-SY5Y的基础上建立了TED报告细胞系。这里我们提供了HeLa细胞的协议,但该协议也可以传输到任何其他细胞系。

稳定HeLa细胞系的建立

  1. 分离野生型HeLa细胞系,将体积为200μl的100000个细胞转移到1.5 ml试管中。
  2. 向试管中添加适量慢病毒TED表达载体颗粒,并在室温下培养细胞-病毒悬浮液10分钟。然后将细胞接种在总体积为2 ml的培养基(DMEM、10%FCS、1%青霉素/链霉素)中的30 mm培养皿中,并培养3天。
  3. 用PBS洗涤一次后,抽吸培养基并添加500μl胰蛋白酶(TrypLE,PBS中2:3)。培养约3分钟,然后通过添加3 ml培养基停止反应。将悬浮液转移到15 ml falcon试管中,并以400 x g离心3分钟。
  4. 在200μl培养基中重新悬浮细胞颗粒,并再次用慢病毒颗粒感染细胞,如4.2所述。然后,将种子细胞置于10 ml培养基中的T25细胞培养瓶中。
  5. 培养细胞,直至达到60-80%的汇合点。然后分裂文化。

TED报告细胞系

  1. TED报告细胞系可以保存在任何标准介质中,例如使用含有5%或10%FCS和1%青霉素/链霉素的DMEM。
  2. 在含有无菌10 mm盖玻片(见上文)的4孔培养皿中培养适当数量的细胞,例如每个盖玻片10000到20000个电池。
  3. 在将细胞用于TED成像之前,请将其培养至少两天。

5.倒置显微镜实时成像程序的准备

    1. 将HEPES-手指预热至室温并添加D-葡萄糖。
    2. 预热ACSF(不含Ca2+和镁2+)至室温并添加D-葡萄糖。给ACSF通入碳水化合物5分钟。然后添加1 M CaCl储备溶液2和氯化镁2最终浓度为2 mM。
  1. 启动实时成像显微镜和所有计算机程序。
  2. 在“虚拟”成像室上开始灌注,并平衡管道系统。
  3. 预热显微镜载物台中的内联溶液加热器和成像室。将成像室固定在加热插件中。
  4. 在开始染料加载程序之前,将系统平衡至32-37°C。注意:为了避免灌注溶液意外流入显微镜系统,我们在物镜周围使用发带和弹性硅胶板(1mm)来保护显微镜载物台。

6.任何一种电池类型的染料负载

  1. 将1等分Fluo5N-AM(见1.3)重新悬浮在100μl预热成像溶液(HEPES-指状物或ACSF)中。
  2. 将Fluo5N-AM溶解在水浴式声波发生器中的成像溶液(HEPES-指环或ACSF)中90秒。
  3. 使用新鲜的4孔或24孔板,将400μl预热的成像溶液转移到一个孔中。将染料溶液加入同一个孔中,得到500μl的5μM溶液。
  4. 小心地放置一张带有电池的盖玻片(例如直径10-18 mm),电池面朝上。
  5. 在37°C的细胞培养箱中培养一段合适的时间(同时在显微镜台上准备成像设置)。神经元和胶质细胞的典型染色时间为7-15分钟,细胞系为10-20分钟。

关键的:染料装载时间和染料浓度取决于细胞类型、细胞密度和实验特定需求!染料存在下的长时间孵育可能会伤害细胞,尤其是原代神经元和原代神经胶质细胞,这对生理刺激的反应性至关重要。潜伏期长(例如30分钟)将仅用于ER钙定位实验,以研究ER钙在小亚细胞结构中的分布,例如细神经突或棘。在一些实验中,1/3生长介质与成像溶液的混合物可能有助于在Fluo5N-AM加载期间保护细胞。

  1. 立即将盖玻片转移到另一个含有成像溶液的细胞培养皿中(HEPES-手指或ACSF),并开始将细胞安装到成像室中。

7.利用倒置激光扫描共焦显微镜进行ER-calcium活细胞成像

  1. 使用油漆刷在成像室上涂抹高真空润滑脂。将盖玻片固定在灌注室底部需要润滑脂。我们使用自制成像室制作10-12毫米的盖玻片,体积较小,因此可以实现高达每分钟15倍缓冲液交换的高灌注速度。可从华纳仪器公司(RC-49FS)购买用于放置18 mm盖玻片的商用灌注室。这个腔室还可以对神经元进行场刺激。
  2. 拿起装有Fluo5N的细胞的盖玻片,在细胞上滴上一小滴成像溶液(50-100μl),使细胞覆盖成像溶液。将盖玻片倒置,将试管装入成像室。要将盖玻片压入硅胶中,请使用棉签(例如Q-提示)。
  3. 用棉球擦去玻璃盖玻片底部残留的缓冲液。注意:使用具有高数值孔径的油物镜进行高分辨率成像时,请小心擦掉残留水分。残留的盐最好用水去除。可使用丙酮或纯乙醇清除润滑脂的意外涂抹。
  4. 将“虚拟”成像室与实验成像室互换。通过连续灌注清洗细胞5-10分钟。
  5. 通过连续灌注清洗细胞5-10分钟。
  6. 对于细胞选择,使用最少的激光照明、高扫描速率(2-4 Hz)、较小的图像尺寸和高增益。
  7. 注意:在选择Fluo5N标记的细胞时,不要使用过多的光或外荧光灯直接照射。Fluo5N/Ca的明亮照明2+配合物会在2-4秒内完全失去ER特异荧光(图5).
  8. 根据计划的实验设置显微镜。对于定向,不同TED矢量成像的代表性设置如所示表1对于反向激光扫描共聚焦显微镜,我们使用奥林巴斯IX81显微镜和配备二极管激光器(473 nm,15 mW;559 nm,20 mW)的Fluoview 1000共聚焦系统以及光谱检测器系统。
  9. 在实验开始时,通过高分辨率x,y-z图像堆栈记录感兴趣的细胞。
  10. 在特定的实验条件下进行x,y-t成像以监测ER钙动力学。我们系统的典型设置列于表2.
  11. 用显像液连续灌注监测ER钙的变化。典型的缓冲液交换率示例如下:(a)通过SERCA块进行细胞清洗和储存完成:1.5 ml/min;(b) ATP/DHPG刺激:3 ml/min。
  12. 优先获取12位(4096灰度值)的数字图像。用于Fluo5N/Ca的并行成像2+和RFP,8位图像(256个灰度值)可能会将您的系统从数据溢出中拯救出来。
  13. 存储活细胞时间序列图像(x,y-t)或3D图像堆栈(x,y-z)(用于Fluo5N/Ca的细胞分布2+Complex)兼容ImageJ格式(例如tiff)。

8.图像处理和数据分析

  1. 在ImageJ程序中打开图像堆栈。如果是多色成像,请在ImageJ要求时分割RGB通道。
  2. 通过仔细检查图像堆栈来确定感兴趣的区域(ROI)(例如借助强度与时间图)
  3. 使用Time-Series Analyzer插件读取ROI(F)中的平均像素强度未经加工的). 根据目的,围绕完整ER或ER的小区域绘制ROI例如外周细胞区树突ER。还包括1-3个ROI,用于背景减法的无单元格区域。
  4. 计算平均背景荧光(Fb条)通过计算背景ROI的平均荧光值并减去背景值Fb条来自F未经加工的值以获得F投资回报率价值。
  5. 计算F0,这是细胞的基本荧光,通过计算静息状态下每个ROI的10到30个荧光值的平均值。
  6. 用ΔF/F计算荧光的背景修正相对变化0根据公式:

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为jove-75-50317-0.jpg

  1. 用ΔF/F表示荧光的相对变化0Y轴和X轴的时间。

具有代表性的结果

该方案为直接成像游离ER钙提供了一种无中断方法。低亲性合成钙2+在内质网靶向重组酯酶活性的帮助下,释放指示剂并将其捕获在内质网上。改善钙的负载2+ER内腔的指示剂染料能够对ER钙储存动态进行直接和快速的成像。

TED的单元类型

该方法的可行性已在BHK21、HEK293细胞系中证明34、希拉17,SH-SY5Y,培养的星形胶质细胞8,40初级海马和皮层神经元8、34、41在我们的实验中,当TED构建体稳定表达时,TED工作良好,优先通过自失活慢病毒载体37,39使用相对较弱的启动子(例如泛素启动子)35其他实力更强的推广人正在接受调查。

TED标签的ER特异性

用Fluo5N成功加载TED,可使ER管腔清晰明亮地染色,而ER管腔不在核区内34,41在休息状态下,Fluo5N/Ca2+复合标记代表钙在与Fluo5N结合时的定位,因此,它代表了ER管腔中游离钙的区域分布。图6,Fluo5N/Ca的共焦图像2+-在HeLa细胞、皮质星形胶质细胞和海马神经元中显示Red-CES2的复合物和Tag-RFP-T2标记。图6C显示荧光钙2+海马神经元胞体和轴突中的指示复合物。这样可以检测钙2+较小进程中的信号(另请参阅34,35).

需要一些经验来区分典型的ER标记和细胞溶质标记,当细胞受损或不健康时会观察到这种标记。细胞质内生酯酶也会释放Fluo5N,当钙通过质膜渗漏时,这会导致细胞质和细胞核染色非常明亮。Fluo5N/Ca的细胞溶胶染色2+当TED标记的细胞在细胞外钙的存在下用离子载体离子霉素处理时也能观察到(图7).

内质网钙释放的直接成像

TED的一个主要应用是直接可视化ER存储消耗17,34.英寸图8,我们展示了一个对海马神经元进行的代表性实验,表达Red-CES2。带有Red-CES2的神经元在核周区富集大量Fluo5N(箭头所示图8). 当通过灌注应用SERCA阻滞剂CPA时,可以观察到ER钙储存的快速消耗(图8B). 这里我们给出了用12位神经元成像时获得的原始值(y轴)。成像条件如下所示表2注意,当TED应用于神经元时,每个ROI的平均荧光密度发生了巨大变化。对于其他使用TED分析神经元ER钙释放的实验,我们想参考早期的实验,这些实验已经详细讨论过了8,34,35简而言之,神经元中的TED在体外用于通过反向共焦激光扫描显微镜详细显示SERCA敏感性内质网钙存储8,34并成功应用于mGluR1/5诱导的IiCR的快速成像(15 Hz)34.

图9显示了一个用小鼠皮质星形胶质细胞进行的典型实验在体外,由200μM ATP通过灌注系统以低分辨率刺激,使用20倍水物镜。慢病毒感染后,此处显示的细胞表达由泛素启动子驱动的Red-CES2。扫描速度为~2 Hz,两个通道(Fluo5N/Ca2+和Red-CES2融合蛋白)同时成像(直线)。实验开始时,胶质细胞表现出对表达结构的良好感染和对Fluo5N-AM的良好负载图9A设置一个ROI测量背景荧光(bg),ROI 1-2测量完整细胞的荧光,ROI 3仅覆盖细胞的ER,ROI 4围绕完整视野绘制。在ATP刺激后不久,Fluo5N/Ca的荧光2+配合物因钙而突然下降2+从内质网释放。最后,内质网再次部分充满钙。同时,由于轻微漂白,RFP的荧光持续降低(图9B,下部面板)。表示荧光强度变化的痕迹(图9C)指出了TED的一个重要缺点。在许多(并非所有)实验中,刺激期间会损失大量的Fluo5N复合物。因此,荧光值不会恢复到初始荧光强度水平。

图10高分辨率显示CES2感染的BHK21细胞,用Fluo5N/Ca标记2+和ATP刺激。BHK21细胞作为内质网钙分析的早期模型细胞系统31注意,在内质网小管的精细结构中可以观察到内质网钙释放和储存再灌注。这些结构以低速(约0.2 Hz)、512 x 512像素、共焦针孔的Airy disc 1设置和63倍油物镜进行成像。

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图1。ER钙信号转导概述。内质网钙释放是由“泄漏”通道引起的,例如内质网膜内孔复合物Sec61。G蛋白偶联受体(GpcR)刺激IP生产,然后导致IP-诱导钙释放(IiCR)。内质网钙释放由STIM复合物感测,并通过Trp家族的离子通道和/或Orai钙通道诱导存储操作钙进入(SOCE)。电压门控钙通道(Ca)通过直接蛋白质相互作用(骨骼肌)或生理相互作用(心肌细胞、神经元),通过ryanodine受体(RyR)介导钙诱导的快速钙释放(CiCR)。内质网钙的损失是通过SERCA泵(肌浆内质网钙ATP酶)的作用动态挽救的。

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图2。靶向酯酶诱导染料负载(TED)的原理。羧酸酯酶的靶向过表达在内质网中提供了高酯酶活性(CES2)。酯酶将乙酰氧基甲基酯染料Fluo5N-AM转化为钙敏感的荧光染料,仍滞留在内质网上。Fluo5 N对钙离子的亲和力较低。因此,在静止条件下,荧光Fluo5N/Ca2+复合物优先在内质网中形成,其中钙浓度约为胞浆中钙浓度的1000倍。

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图3。有代表性的TED向量结构。CES2:鼠标CES2的本机版本。CES2选择43:ER信号肽被交换,现在包括一个内含子,而ER保留基序被改为可溶性ER蛋白的经典KDEL-ER保留和检索基序。myc标记提供了一个表位,用于通过间接免疫荧光标记和Western blot分析检测蛋白质。红色-CES28,43:在氨基末端信号肽的正后方添加红色荧光蛋白。红色斯里兰卡CES243:引入了一种甘氨酸连接剂,以在RFP和CES2元件之间建立一个柔性铰链。

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图4。使用TED进行直接ER钙成像的工作流程。用含有TED表达结构的病毒转导原代细胞或细胞系的细胞悬浮液。然后将细胞接种在盖玻片上。当使用RFP-CES2构建物时,可以使用红色荧光识别转导的细胞。通过在含有AM-偶联低亲和力钙的成像溶液中培养细胞来进行靶向酯酶诱导的染料负载2+如Fluo5N-AM或Mag-Fura2-AM。ER钙成像使用倒置激光扫描显微镜(见协议)或任何其他兼容成像设备进行。在实时成像过程中,细胞被连续灌注成像溶液,如人工脑脊液(ACSF)。细胞刺激可以通过灌注或局部压力注射进行。

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图5。强的外荧光照明在几秒钟内破坏了ER-特异性Fluo5N TED标签。视频中的代表性图像,使用直立成像显微镜进行成像。在这里,表达RFP-CES2的胶质细胞被加载Fluo5N-AM。首先用CCD相机显示感染细胞的红色荧光。随后,Fluo5N/Ca2+信号由LED光源照亮。Fluo5N/Ca的初步明确ER定位2+复合物(黄色箭头)被470 LED光源的强照明迅速破坏,并且在核区域可以看到荧光分布的变化(黄色箭头,12.46秒)。

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图6。在不同的单元类型中使用Fluo5N-AM加载TED。上部面板:稳定表达RED-CES2的HeLa细胞。中间面板:用Red-CES2慢病毒转导后的皮质星形胶质细胞。下部面板:海马神经元在DIV 8处出现RED-CES2。所有细胞均在盖玻片上培养,并按方法部分所述用Fluo5N-AM染色。Fluo5N/Ca2+标签还表示钙与Fluo5N结合时的定位。比例尺40μm。

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图7。在离子霉素治疗后,细胞液中的氟烷5N染料变得可见。用Red-CES2感染胶质细胞,用Fluo5N-AM标记,并用SERCA-blocker thapsigargin处理以耗尽ER钙。离子霉素处理诱导了细胞外钙的强烈内流。(上部面板)细胞显示Fluo5N/Ca急剧增加2+-介导的荧光。(下部面板)Fluo5N/Ca的平均强度投影图像2+-标记显示了荧光钙复合物的典型细胞溶质标记。蓝色箭头:一个标记鲜明的细胞表明,该细胞的胞浆中含有大量钙。据推测,该电池已损坏。紫色箭头:经过离子霉素处理后,细胞在胞浆中变得明亮。

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图8。内质网钙通过阻断SERCA在神经元中储存损耗。(A)海马神经元(DIV 9)表达Red-CES2(A,红色),并用Fluo5N-AM(A,绿色)标记。箭头指向两个分析的单元格。图像(最大强度投影)是在实验开始时获得的x,y-z图像的裁剪元素。(B)用30μM CPA灌注后,代表内质网钙库耗竭的原始痕迹。这里用1Hz和12位拍摄了1000张图像。A中所示的两个细胞的每个ROI(Y轴)的平均荧光密度的原始值随时间绘制(红色和蓝色轨迹)。背景值(黑色轨迹)保持不变。A.U.=表示荧光密度的任意灰度单位。

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图9。神经胶质细胞ATP刺激后内质网钙释放。用红细胞介素2感染胶质细胞,并加载Ca2+Fluo5N AM指示剂。通过灌注用200μM ATP刺激细胞10秒。(A)表达Red-CES2的胶质细胞(中间)用Fluo5N-AM标记(左)。ROI突出显示。(B)从延时序列中提取的单个图片。(上面板)细胞反应前0秒和71秒的荧光强度较高。它突然下降(80秒),在86秒时达到最小值,然后随着钙被泵回内质网而再次上升(160秒)。(下面板)由于漂白,RFP的荧光强度随时间缓慢而持续地降低。(C)显示ΔF/F的时间轨迹0ROI值显示在A中。指示钙浓度的荧光在ATP刺激后下降,部分恢复。单击此处查看大图.

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图10。ATP诱导BHK21细胞钙释放的高分辨率成像。细胞装载Fluo5N-AM,并在细胞外钙存在的情况下成像。(A)显示Fluo5N/Ca变化的图像系列2+-ATP刺激期间产生的荧光。(B)平均强度投影图像表示以C显示的ROI。(C)在内质网的小分区分析ATP诱导的钙释放和内质网钙库的再填充。这些痕迹代表荧光的变化。

激励激光器[nm] 检测范围[nm]
使用Red-CES2向量构造的TED
473(氟5N/Ca2+)507-545
559(标签-RFP-T2)> 570
仅含CES2向量构造的TED
473 nm(Fluo5N/Ca2+)> 507

表1。光谱检测器的设置。

实验 使用Red-CES2消耗ER 使用CES2结构刺激神经元 高空间分辨率成像
目标(不适用)20倍水(0.7)20倍水(0.7)40倍油/63倍油(≥1,3)
473nm激光器
电源1% 1%
高压一个600-780600-780400-780
增益B类0-1%1-2%0%
抵消000
559 nm激光器
权力1%可选C可选C
高压一个600-780可选C可选C
增益B类0-1%可选C可选C
抵消0可选C可选C
扫描速度1-2赫兹自由运行自由运行
图片大小320x320像素240x240像素512x512像素
扫描类型直线双向奈奎斯特标准(2像素/元素)
刺激100-200μM ATP:5-15秒;200-500μM谷氨酸5-15秒100-200μM激动剂:5-15秒
针孔2-5张airy光盘2-5张airy光盘1个空气盘

表2。根据实验类型设置显微镜的示例。A:HV=光电倍增管检测器的电流,B:增益=PMT信号的放大,C:可选:通道可自由用于其他红色荧光染料(例如CMX-Ros用于可视化线粒体电位)或其他红色荧光蛋白。

讨论

TED方法的优点和缺点在最近的出版物中得到了广泛的讨论34,35与上述其他方法相比,TED避免了破坏和灌注细胞的问题。此外,需要强调两个方面。TED用于ER钙成像的原理要求:(1)借助TED载体构建,在ER腔中靶向表达活性羧酸酯酶;(2)在ER腔内高效优先释放钙染料的低亲和力合成AM-酯。

1.TED向量构造

图3总结了TED向量结构的发展。TED是在CES家族蛋白的基础上开发的(酶代码EC3.1.1.1)。这些蛋白质是内质网腔中的常驻成员。对于在体外研究表明,CES蛋白的重组给药在稳定表达该蛋白或以中等表达水平感染病毒后效果最佳。目前,尚不清楚其他具有酯酶活性的蛋白质能否取代CES蛋白质用于TED成像。不建议使用TED载体的瞬时转染进行动态ER钙分析,因为转染后细胞的反应性较差。CES蛋白需要正确靶向内质网腔,而这一步需要有效切割内质网信号肽。此外,CES蛋白在内质网腔中的保留和恢复由其氨基末端KDEL样基序介导。当瞬时转染后TED载体产生高表达水平时,这些机制可能会饱和。这可能导致CES蛋白的错误定位,并支持蛋白质聚集体的形成。

2.低亲和力钙2+TED指标

TED最重要的缺点是可用指示染料对ER钙进行无破坏性分析的局限性。TED的ER钙成像需要高K的指示染料D类(意思是亲和力低)和缺乏钙时荧光低。根据我们的经验,Fluo5N-AM效果最好,但这种指示剂染料不耐漂白。低亲和力钙2+指示器Mag-Fura2-AM(KD类~25-50μM)34和Mag-Fluo4(KD类约20-25μM)。TED将这两种染料很好地装入内质网结构中,但在刺激内质网释放时产生“混合信号”的风险很高。“混合信号”首先表示胞浆中荧光的快速增加,然后是ER中荧光的减少。为了克服这一限制,ER钙成像的破坏性方法可能有助于32,35.磁流体4(KD类约20-25μM)显示了高尔基体池强烈的TED介导标记,当使用Fluo5N-AM时,这种标记不太明显。

应用和前景

在这里,我们将重点放在利用TED进行内质网钙动力学的反向激光扫描共焦分析上。TED测量也可以适用于任何标准共焦系统或具有适当激励源(激光、LED、金属卤化物灯、单色仪)、滤波器和荧光检测系统的宽场系统6.

TED对那些在ER中不表达足够内源性CES活性的细胞特别有用。我们观察到例如BHK21细胞在内质网中提供足够的内源性酯酶活性以释放低亲和力指示剂。在我们手中,许多其他细胞系(HEK293、SH-SY5Y、HeLa、PC12)、初级胶质细胞和初级神经元并非如此。在这里,TED方法可以成功地将非破坏性染料加载到ER。

未来的TED载体可能将其应用范围从内质网腔扩展到其他亚细胞室或细胞微域。TED方法的原理独立于指示染料,因此可以与任何染料的AM-ester一起使用,例如用于细胞内pH动力学的成像。最近,Luke D.Lavis实验室描述,重组猪肝酯酶(PLE)CES1与环丙酯染料形成选择性酯酶-酯酶对42发现环丙酯试剂对内源性酯酶的水解具有抵抗力,并且通过重组CES活性激活的细胞特异性分子靶向选择性揭穿42基于该新技术的钙指示剂是否会提高合成指示剂的亚细胞靶向特异性,这将是一个有趣的研究。

当TED蛋白稳定表达时,TED在细胞系中的作用最佳。建立一个含有稳定TED细胞系的集合是有益的。

转基因TED小鼠模型也是我们工作的主要目标,这将使TED能够用于特定神经回路、骨骼肌、心脏或血管系统的特定组织制备。该小鼠模型将有助于将内质网钙动力学的分析从细胞水平转移到更生理组织背景。

披露

作者声明,他们没有相互竞争的经济利益。

致谢

这项工作得到了德国Forschungsgemeinschaft(DFG)BL567/3-1和Friedrich-Baur-Stiftung的资助。我们要感谢加州大学圣地亚哥分校霍华德·休斯医学研究所实验室的Roger Y.Tsien为我们提供Tag-RFP-T2。我们感谢帕萨迪纳加州理工学院的David Baltimore和日内瓦大学的Didier Trono为我们提供慢病毒质粒FUGW和psPAX2/pMD2.G。

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文章来自可视化实验杂志:JoVE由以下人员提供MyJoVE公司