Mikroskopowe metody rejestracji wewnątrzkomórkowych odpowiedzi wapniowych

• Authors: Tomasz Węgierski

Title variants

EN

Microscopic methods for recording of intracellular calcium responses

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Jony wapnia to wtórny przekaźnik sygnałów odgrywający ważną rolę w różnorodnych procesach wewnątrz komórki, takich jak przekaźnictwo sygnałów, transkrypcja, wydzielanie, przewodnictwo nerwowe czy apoptoza. Mikroskopia fluorescencyjna przy wykorzystaniu specyficznych sond wapniowych jest metodą niezbędną dla ich pełnego zrozumienia. Umożliwia precyzyjne i szybkie (nawet w czasie rzeczywistym) śledzenie zmian stężenia jonów wapnia w pojedynczych komórkach w odpowiedzi na zewnętrzne bodźce. Niniejszy artykuł przeglądowy ma na celu zapoznanie czytelnika z podstawowymi mechanizmami komórkowej homeostazy wapniowej, a także ze stosowaną w ich badaniach metodologią. Omówione są najważniejsze cechy mikroskopowych systemów obrazowania używanych do rejestracji stężenia jonów wapnia. W dalszej części przedstawione są rodzaje oraz zalety i ograniczenia obecnie stosowanych sond wapniowych, w kontekście konkretnych typów realizowanych badań naukowych. Przyszły kierunek tych badań został wyznaczony i umożliwiony przez intensywnie rozwijane genetycznie kodowane sondy wapniowe, dobrze dostosowane do długotrwałego monitorowania odpowiedzi wapniowych in vivo w modelowych orgamizmach badawczych, takich jak myszy.

EN

Calcium ion is an important second messenger molecule for many various processes inside the cell, such as signalling, transcription, secretion, neurotransmission and apoptosis. Fluorescence microscopy with the use of calcium sensors is an indispensable method for our complete understanding of those processes. It enables accurate and fast (even in real-time) recording of changes in calcium concentration in individual cells in response to extracellular stimuli. This review article aims at getting the reader familiar with the basics of calcium homeostasis and the methodology to investigate it. Presented are the most important features of imaging systems used to monitor calcium levels. Subsequently, various types of as well as advantages and limitations of modern calcium sensors are discussed, in the context of current lines of scientific investigations. The future directions of research have been set and enabled by the intensively developed genetically-encoded calcium sensors, well suited for long-term monitoring of calcium responses in vivo in model organisms, such as mice.

• Journal: Kosmos
• Year: 2013
• Volume: 62
• Issue: 2
• Pages: 193-203

Dates

published

2013

Contributors

author

Tomasz Węgierski

• Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej Ks. Trojdena 4, 02-109 Warszawa, Polska

References

• Clapham D. E., 2007. Calcium signaling. Cell 131, 1047-1058.
• De Brito O. M., Scorrano L., 2008. Mitofusin 2 tethers endoplasmic reticulum to mitochondria. Nature 456, 605-610.
• De Brito O. M., Scorrano L., 2010. An intimate liaison: spatial organization of the endoplasmic reticulum-mitochondria relationship. EMBO J. 29, 2715-2723.
• Feske S., Gwack Y., Prakriya M., Srikanth S., Puppel S. H., Tanasa B., Hogan P. G., Lewis R. S., Daly M., Rao A., 2006. A mutation in Orai1 causes immune deficiency by abrogating CRAC channel function. Nature 441, 179-185.
• Grynkiewicz G., Poenie M., Tsien R. Y., 1985. A new generation of Ca2+ indicators with greatly improved fluorescence properties. J. Biol. Chem. 260, 3440-3450.
• Hasdemir B., Burgoyne R., Tepikin A., 2006. Imaging calcium and calcium-binding proteins. [W:] Cell Imaging. Stephens D. (red.). Scion Publishing Limited, Bloxham, 143-164.
• Knopfel T., Lin M. Z., Levskaya A., Tian L., Lin J. Y., Boyden E. S., 2010. Toward the second generation of optogenetic tools. J. Neurosci. 30, 14998-15004.
• Kuchibhotla K. V., Goldman S. T., Lattarulo C. R., Wu H. Y., Hyman B. T., Bacskai B. J., 2008. Abeta plaques lead to aberrant regulation of calcium homeostasis in vivo resulting in structural and functional disruption of neuronal networks. Neuron 59, 214-225.
• Liou J., Kim M. L., Heo W. D., Jones J. T., Myers J. W., Ferrell J. E., Jr., Meyer T., 2005. STIM is a Ca2+ sensor essential for Ca2+-store-depletion-triggered Ca2+ influx. Curr. Biol. 15, 1235-1241.
• McCombs J. E., Palmer A. E., 2008. Measuring calcium dynamics in living cells with genetically encodable calcium indicators. Methods 46, 152-159.
• Palmer A. E., Jin C., Reed J. C., Tsien R. Y., 2004. Bcl-2-mediated alterations in endoplasmic reticulum Ca2+ analyzed with an improved genetically encoded fluorescent sensor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 17404-17409.
• Palmer A. E., Tsien R. Y., 2006. Measuring calcium signaling using genetically targetable fluorescent indicators. Nat. Protoc. 1, 1057-1065.
• Patron M., Raffaello A., Granatiero V., Tosatto A., Merli G., De Stefani D., Wright L., Pallafacchina G., Terrin A., Mammucari C., Rizzuto R., 2013. The Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU): molecular identity and physiological roles. J. Biol. Chem. 288, 10750-10758.
• Putney J. W., 2009. Capacitative calcium entry: from concept to molecules. Immunol. Rev. 231, 10-22.
• Rizzuto R., Simpson A. W., Brini M., Pozzan T., 1992. Rapid changes of mitochondrial Ca2+ revealed by specifically targeted recombinant aequorin. Nature 358, 325-327.
• Roos J., Digregorio P. J., Yeromin A. V., Ohlsen K., Lioudyno M., Zhang S., Safrina O., Kozak J. A., Wagner S. L., Cahalan M. D., Velicelebi G., Stauderman K. A., 2005. STIM1, an essential and conserved component of store-operated Ca2+ channel function. J. Cell Biol. 169, 435-445.
• Soboloff J., Rothberg B. S., Madesh M., Gill D. L., 2012. STIM proteins: dynamic calcium signal transducers. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 13, 549-565.
• Tian L., Hires S. A., Mao T., Huber D., Chiappe M. E., Chalasani S. H., Petreanu L., Akerboom J., Mckinney S. A., Schreiter E. R., Bargmann C. I., Jayaraman V., Svoboda K., Looger L. L., 2009. Imaging neural activity in worms, flies and mice with improved GCaMP calcium indicators. Nat. Methods 6, 875-881.
• Tsien R. Y. 1999. Monitoring Cell Calcium. [W:] Calcium as a Cellular Regulator. Klee E. C. A. C. (red.). Oxford University Press, New York, 28-54.
• Vig M., Peinelt C., Beck A., Koomoa D. L., Rabah D., Koblan-Huberson M., Kraft S., Turner H., Fleig A., Penner R., Kinet J. P., 2006. CRACM1 is a plasma membrane protein essential for store-operated Ca2+ entry. Science 312, 1220-1223.
• Whitaker M., 2010. Genetically encoded probes for measurement of intracellular calcium. Methods Cell Biol. 99, 153-182.
• Zhang S. L., Yeromin A. V., Zhang X. H., Yu Y., Safrina O., Penna A., Roos J., Stauderman K. A., Cahalan M. D., 2006. Genome-wide RNAi screen of Ca2+ influx identifies genes that regulate Ca2+ release-activated Ca2+ channel activity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 9357-9362.
• Zhao Y., Araki S., Wu J., Teramoto T., Chang Y. F., Nakano M., Abdelfattah A. S., Fujiwara M., Ishihara T., Nagai T., Campbell R. E., 2011. An expanded palette of genetically encoded Ca2+ indicators. Science 333, 1888-1891.