GCaMPカルシウムセンサーの結晶構造は蛍光信号変化のメカニズムを明らかにし、合理的設計を助ける

遺伝子でコードされたカルシウム指標GCaMP2は神経ネットワーク活動のイメージングに対して有望ですが、現在は信号対雑音比が低いため制限されています。私たちは、GCaMP2のカルシウムフリーのダーク状態および二つのカルシウム結合した明るい状態におけるX線結晶構造と溶液の生物物理的および分光学的特性評価について説明します。この二つの明るい状態は、イメージング実験中に観察される細胞内濃度で優勢な単量体の形態と、予期しないドメインスワップ二量体で、後者は蛍光が減少します。この一連の構造は、Ca2+によって誘発される蛍光変化のメカニズムへの洞察を提供します。カルシウムが結合すると、カルモジュリン（CaM）ドメインがM13ペプチドを取り囲み、CaMと円環的に置換された強化緑蛍光タンパク質ドメインの間に新しいドメインインターフェースを作成します。CaMの残基は円環的に置換された強化緑蛍光タンパク質のクロモフォアの化学環境を変化させ、柔軟なインタードメインリンカーと共にクロモフォアへの溶媒アクセスを遮ります。結晶構造に導かれて、GCaMP2の機能メカニズムを探るために一連のGCaMP2ポイント突然変異体を設計し、信号対雑音比が大幅に改善された一つの突然変異体を特性評価しました。この変異はドメインインターフェースに位置し、構造データがない場合にセンサー機能への影響を予測することはできませんでした。