钙传感器 揭示大脑深处的活动，麻省理工学院开发的新型核磁共振成像传感器

揭示大脑深处的活动，麻省理工学院开发的新型核磁共振成像传感器

钙是大多数细胞的关键信号分子，在神经元中尤其重要，对脑细胞中的钙进行成像可以很好地揭示神经元如何相互沟通。然而，目前的成像技术只能穿透几毫米的大脑，这显然妨碍了人类对大脑的进一步了解。

本文主要作者，麻省理工学院生物工程、大脑与认知科学、核科学与工程学教授，麻省理工学院麦戈文脑科研究所研究中心副成员 Alan Jasanoff 说：“这篇论文描述了首个基于磁共振成像检测细胞内钙信号的方法，它十分类似于在神经科学中广泛使用的成熟的光学方法，只是现在可以在深层组织中进行这样的检测。”

进入细胞

在静息状态下，神经元的钙含量非常低。然而，当它们发出电脉冲时，钙就会涌入细胞。在过去的几十年里，科学家们已经设计出用荧光分子标记钙的方法来描绘这种活动。这可以在实验室培养皿中培养的细胞中完成，也可以在活体动物的大脑中完成，但这种显微成像技术只能渗透到组织中的几十分之一毫米，大多数研究仅限于大脑表面。

“这些工具已经做了很多了不起的事情，但是我们希望能够让我们自己和其他人更深入地了解细胞水平的信号，” Jasanoff 说。

图丨Alan Jasanoff（来源：MIT）

为了达到这个目的，麻省理工学院的研究小组使用了磁共振成像技术，这是一种非侵入性技术，通过检测注入的造影剂和细胞内水分子之间的磁相互作用来实现。

一直以来，许多科学家都在致力于基于磁共振成像的钙传感器的研究，但主要的障碍是开发一种可以进入脑细胞的造影剂。 去年，Jasanoff 的实验室开发了一种可以测量细胞外钙浓度的核磁共振传感器，但这种传感器是基于太大而无法进入细胞的纳米颗粒。

为了制造新的细胞内钙传感器，研究人员使用了能够穿过细胞膜的构件。这种造影剂含有锰，这是一种与磁场相互作用较弱的金属，它与一种可以穿透细胞膜的有机化合物结合在一起。这种复合物还含有一种叫做螯合剂的钙结合臂。

一旦进入细胞内，如果钙水平低，钙螯合剂就与锰原子弱结合，从而使锰免受核磁共振检测。当钙流入细胞时，螯合剂与钙结合并释放锰，这使得造影剂在 MRI 图像中显得更明亮。

“当神经元或神经胶质之类的脑细胞受到刺激时，它们的钙浓度通常会增加十倍以上。而我们的传感器可以检测到这些变化。” Jasanoff 说。

精确的测量

在实验中，研究人员对大鼠的纹状体进行注射，这是大脑深处的一个区域，涉及规划运动和学习新的行为。然后，他们用钾离子刺激纹状体神经元的电活动，并能够测量这些细胞的钙反应。

Jasanoff 希望利用这种技术来识别参与特定行为或动作的小型神经元群。由于这种方法直接测量细胞内的信号，它可以比传统的功能性磁共振成像 (fMRI) 提供更精确的神经元活动的位置和时间信息。

“这可能有助于搞清楚大脑中不同结构是如何协同工作来处理刺激或协调行为的，” 他说。

此外，这项技术可以用来对钙成像，而经过进一步的修改，有朝一日，它还可以用于对大脑或其他依赖钙的器官 (如心脏) 进行诊断性成像。

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【Plant Cell 】可视化植物钙传感激酶构象，实时解码植物Ca2+信号

胞质钙离子(Ca2+)浓度的变化是对多种胁迫信号的最早反应之一，然而过多的Ca2+可渗透通道可能产生不同的Ca2+信号和对胁迫的特异性响应。CDPKs是Ca2+传感器激酶，CDPKs能够直接结合Ca2+并将Ca2+信号传递到蛋白质磷酸化中，Ca2+解码可以被认为是一个连续的三个反应过程:(i)通过Ca2+与EF-hand基序结合感知Ca2+， (ii)诱导的构象变化(CDPK激活所需)，(iii)其接力到目标蛋白磷酸化(CDPK活性)的响应输出，但是目前Ca2+信号的解码机制尚不清楚。

近日，Anja Liese等在国际知名期刊《The Plant Cell》上在线发表一篇题为：“Imaging of plant calcium-sensor kinase conformation monitors real time calcium-dependent decoding in planta”的研究论文，该研究开发了一种基于Förster共振能量转移(FRET)的基因编码报告器，可以可视化钙依赖性蛋白激酶(CDPKs/CPKs)的构象变化，是在多种植物发育和胁迫反应中实时解码Ca2+信号的强大方法。

首先该研究设计了一个基于FRET的CDPK报告因子，来记录Ca2+诱导的CDPKs构象变化。研究选取了两个不同Ca2+敏感性的CDPKs（高Ca2+敏感性的拟南芥AtCPK21和对Ca2+不敏感的AtCPK23）作为研究对象，与CPK23相比，CDPK-FRET构象变化测量准确报告了CPK21对Ca2+敏感性的异构体特异性差异（图1）。

图1.CDPK-FRET报告了CDPKs构象改变的异构体特异性Ca2+依赖性。

CDPKs的特点是它们的异构体特异性和各自激酶活性高度可变的Ca2+依赖性。为了进一步评估CDPK-FRET的能力和分辨率，研究使用CDPK-FRET报告器来分析CPK21和CPK23对Ca2+敏感性的分子基础，发现一个单一的CPK23自磷酸化位点Ser362是修饰Ca2+敏感性和改变催化活性的关键。此外，研究还通过激活步骤(Ca2+结合依赖的构象变化)作为分子读数，验证了CDPK-FRET作为评估CDPKs生化特性的强大工具（图2）。

图2.假底物段中一个独特的自磷酸化位点控制CDPKs的构象变化和激酶活性对Ca2+的依赖性

接下来，研究在植物细胞Ca2+浓度变化的环境中使用CDPK-FRET，发现烟草花粉管中Ca2+的时空波动是协调的，CPK23-FRET不能监测任何尖端聚焦的振荡胞浆Ca2+浓度模式，CPK21-FRET在相期内捕获了花粉中振荡的Ca2+浓度模式，且没有显著的时间延迟，从而表明它是一个快速准确的Ca2+变化报告器（图3）。

图3.烟草花粉管顶端聚焦的Ca2+振荡被CPK21-FRET实时解码，而CPK23-FRET无法实时解码

保卫细胞对ABA或flg22的应用做出反应，通常会引起细胞质Ca2+的变化，这些变化通过不同的Ca2+传感器激酶传递到阴离子通道，从而启动气孔关闭。为了测试CPK21是否在响应一种或两种刺激时被生物化学激活，研究将 ABA或 flg22涂抹在拟南芥表皮皮上后，选择单个守卫细胞进行延时成像，同时记录CPK21-FRET和R-GECO1信号，发现这两种刺激都以R-GECO1信号重复瞬态的形式诱导细胞质Ca2+浓度的增加，引起了CPK21的构象变化（图4）。在保卫细胞的生物环境中，ABA-和flg22诱导的Ca2+浓度变化和CPK21构象变化动力学之间的差异是明显的，表明刺激依赖于Ca2+信号解码（图5）。

图4.ABA-和flg22诱导的拟南芥保卫细胞Ca2+浓度的变化诱导了CPK21-FRET的实时构象激活。

图5.ABA-和flg22诱导的CPK21构象变化信号在时间、同步、强度和形状上存在差异，表明刺激依赖于Ca2+信号解码。

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