GCaMP
GCaMPは、2001年に中井淳一によって最初に開発された遺伝的にコード化されたカルシウムインジケーター（GECI）です。これは、緑色蛍光タンパク質（GFP）、カルモジュリン（CaM）、およびミオシン軽鎖キナーゼのペプチド配列であるM13の合成融合体です。 Ca 2+に結合すると、GCaMPは480nmのピーク励起波長と510nmのピーク発光波長で緑色に蛍光を発します。生物学研究では、invitroおよびinvivoの両方でウイルスを使用して細胞内Ca2 +レベルを測定するために使用されます トランスフェクトまたはトランスジェニック細胞および動物株。 GCaMPをコードする遺伝子配列は、特定の細胞型専用のプロモーターの制御下に挿入することができ、GCaMPの細胞型特異的発現を可能にします。 Ca 2+は、多くの細胞メカニズムとシグナル伝達経路に寄与するセカンドメッセンジャーであるため、GCaMPを使用すると、研究者はCa 2+ベースのメカニズムの活性を定量化し、対象の生物学的プロセスにおけるCa2 +イオンの役割を研究できます。 GCaMPはCa2 +に結合（上）および非結合（下）
コンテンツ
1 構造
2 歴史と発展
2.1 使用中のバリアント
3 研究への応用
3.1 神経活動 3.2 心臓の伝導 3.3 シグナル伝達経路の活性化
4 も参照してください
5 参考文献
構造
GCaMPは、 N末端のM13ドメイン、 C末端のカルモジュリン（CaM）ドメイン、および中央のGFPドメインの3つの主要なドメインで構成されています。GFPドメインは、ネイティブのN末端とC末端が6アミノ酸の結合配列によって融合されるように循環的に並べ替えられ、GFP配列は中央で分割され、に接続する新しいN末端とC末端を作成します。 M13およびCaMドメイン。
Ca 2+がない場合、GFP発色団は水にさらされ、最小の蛍光強度でプロトン化された状態で存在します。Ca 2+が結合すると、CaMドメインはコンフォメーション変化を起こし、M13ドメインのアルファヘリックスにしっかりと結合し、水分子が発色団にアクセスするのを防ぎます。その結果、発色団は急速に脱プロトン化し、ネイティブGFPと同様に、明るく蛍光を発する陰イオン型に変換されます。
歴史と発展
2001年、中井ら。以前に開発された蛍光Ca2 +プローブと比較して、信号対雑音比が改善されたCa2 +プローブとしてのGCaMP1の開発を報告しました。 GCaMP1を発現する最初のトランスジェニックマウスは2004年に報告されました。 しかし、37℃（哺乳類の生理的温度）では、GCaMP1は安定して折りたたまれたり蛍光を発したりせず、invivoでのカルシウムインジケーターとしての使用の可能性が制限されました。
2006年、Tallinietal。その後、GCaMP1からGCaMP2への改善が報告されました。これは、GCaMP1よりも明るい蛍光を示し、哺乳類の体温でより高い安定性を示しました。タリーニら マウス胚の心筋細胞でGCaMP2を発現させ、哺乳類のCa2 +の最初のinvivoGCaMPイメージングを実行しました。
GCaMP3、GCaMP5、GCaMP6、およびjGCaMP7を含むGCaMPのさらなる変更は、Ca 2+検出の信号、感度、およびダイナミックレンジを段階的に改善するために開発されました 最近のバージョンネイティブGFPと同様の蛍光を示します。
使用中のバリアント
低速バリアント（GCaMP6s、jGCaMP7s）と高速バリアント（GCaMP6f、jGCaMP7f）の両方が、生物学および神経科学の研究で使用されています。遅い変異体はより明るく、単一活動電位などのCa2 +レベルの小さな変化に対してより敏感です。一方、高速バリアントは感度が低くなりますが、応答が速くなるため、正確なタイムスケールでCa2 +レベルの変化を追跡するのに役立ちます。 GCaMP6には、GCaMP6sとGCaMP6fの中間の反応速度を持つ中型バリアントGCaMP6mも jGCaMP7の他のバリアントも使用されます。jGCaMP7bは明るいベースライン蛍光を示し、樹状突起と軸索のイメージングに使用されます。一方、jGCaMP7cは、最大蛍光とベースライン蛍光のコントラストが高く、ニューロンの大集団のイメージングに有利です。
2018年、Yangetal。カルモジュリン結合モチーフの追加によって生成されたGCaMP-Xの開発を報告しました。GCaMPカルモジュリンドメインは、結合していない場合、L型カルシウムチャネルゲーティングを妨害するため、追加されたカルモジュリン結合モチーフは、GCaMP-Xがカルシウム依存性シグナル伝達メカニズムに干渉するのを防ぎます。
2020年に、張等。は、対応するjGCaMP7バリアントよりも速い速度論と高い感度を示す、高感度、中速、および高速のバリアントを含むjGCaMP8の開発を報告しました。
赤色蛍光インジケーターも開発されています。jRCaMP1aとjRCaMP1bは、 GFPの代わりに赤色蛍光タンパク質mRubyの循環順列を使用しますが、jRGECO1aは赤色蛍光タンパク質mAppleに基づいています。 GCaMPを励起するために使用される青色光は組織によって散乱され、放出された緑色光は血液によって吸収されるため、赤色蛍光インジケーターは、GCaMPよりも生体内でより多くの浸透とイメージング深度を提供します。赤色蛍光インジケーターを使用すると、青色の励起光による光損傷も回避できます。さらに、赤色蛍光インジケーターは、光遺伝学の同時使用を可能にします。これは、GCaMPの励起波長がチャネルロドプシン-2（ChR2）の励起波長と重複するため、 GCaMPでは困難です。 赤と緑のGECIを同時に使用すると、異なる細胞内領域または細胞集団の2色の視覚化を提供できます。
研究への応用編集
神経活動
ニューロンでは、活動電位は、電位依存性Ca 2+チャネルを開くことにより、軸索終末で神経伝達物質の放出を誘発し、Ca2 +の流入を可能にします。その結果、GCaMPは、 Caenorhabditis elegans、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエ、マウスなどの複数の動物モデルにおけるニューロン活動の代用として、ニューロンの細胞内Ca2 +の増加を測定するために一般的に使用されます。最近、これらの動物モデルの細胞レベルで神経活動をより直接的に調査するために、遺伝的にコード化された電圧インジケーター（GEVI）がGECIと一緒に開発されました。
GCaMPは、動物の大規模な神経記録を確立して、神経ネットワークの活動パターンが行動にどのように影響するかを調査する上で重要な役割を果たしてきました。たとえば、Nguyenetal。（2016） C. elegansの自由な動きの間の全脳イメージングでGCaMPを使用して、その活動が特定の運動行動と相関するニューロンおよびニューロンのグループを識別しました。
武藤ほか （2003）ペンチレンテトラゾールによって誘発された発作の発症、伝播、および回復中の脳のさまざまな部分への脊髄運動ニューロンの協調的活動を測定およびマッピングするために、ゼブラフィッシュ胚でGCaMPを発現させた。ゼブラフィッシュの脳におけるGCaMPの発現は、獲物の捕獲、衝動調節、注意などの認知過程における神経回路の活性化を研究するためにも使用されています。
さらに、研究者はGCaMPを使用して、興奮性錐体ニューロンに見られるThy1プロモーターの制御下で発現させることにより、マウスのニューロン活動を観察しました。たとえば、運動学習中のニューロンの回路への統合は、 GCaMPを使用してCa2 +レベルの同期した変動パターンを観察することによって追跡されています。 GCaMPは、マウスニューロンの細胞内コンパートメントのCa 2+ダイナミクスを観察するためにも使用されています：Cichon and Gan（2015）は、GCaMPを使用して、マウス運動皮質のニューロンがNMDA駆動の増加を示すことを示しました。 Ca 2+は、樹状突起棘ごとに独立しているため、個々の樹状突起棘がシナプス可塑性を調節していることを示しています。最後に、GCaMPは、マウスの脳の特定の領域における活動パターンを特定するために使用されています。たとえば、ジョーンズ等。（2018）マウスでGCaMP6を使用して、哺乳類の概日ペースメーカーである視交叉上核（SCN）のニューロン活動を測定し、血管作動性腸管ペプチド（VIP）を生成するSCNニューロンがVIP放出と相関する毎日の活動リズムを示すことを示しました。
GCaMPは、自由に動いている動物のニューロンの亜集団内の集団レベルのCa 2+変化を測定するために、ファイバー フォトメトリーとも組み合わされています。例えば、Clarksonetal。（2017）この方法を使用して、視床下部の弓状核のニューロンが黄体形成ホルモン（LH）のパルスの直前にCa2 +の増加に同期することを示しました。ファイバーフォトメトリーを使用したGCaMPイメージングでは、個々のニューロン内のCa 2+レベルの変化を追跡できませんが、大規模な変化に対してより高い時間分解能を提供します。
心臓の伝導
心筋細胞のギャップ結合を通るCa2 +電流は、心臓組織の同期した収縮を仲介します。その結果、invitroおよびinvivoの両方での心筋細胞におけるGCaMP発現は、ゼブラフィッシュおよびマウスにおけるCa2 +流入依存性の興奮および収縮を研究するために使用されてきました。例えば、Tallinietal。（2006）マウス胚でGCaMP2を発現させ、胚の10。5日目に、電気伝導は心房と心室では急速であったが、心房心室では遅いことを示した。 Chietal。（2008）トランスジェニック心臓特異的GCaMPゼブラフィッシュ系統を使用して、心周期全体の心筋細胞活性化を画像化しました。彼らの結果から、彼らはゼブラフィッシュの心臓刺激伝導系の4つの発達段階を特徴づけ、心臓の刺激に影響を与える17の新しい突然変異を特定しました。しかしながら、GCaMPの制御されていない発現は、細胞内カルシウムシグナル伝達を妨害するカルモジュリンモチーフの過剰発現による心肥大を引き起こします。結果として、心臓組織を使用した実験では、GCaMP発現のレベルを注意深く制御する必要が
シグナル伝達経路の活性化
Ca 2+は一般的なセカンドメッセンジャーであるため、GCaMPはシグナル伝達経路の活性化を監視するために使用されてきました。たとえば、Bonder and McCarthy（2014）は、GCaMPを使用して、星状細胞 のGタンパク質共役型受容体（GPCR）シグナル伝達と、それに続くCa 2+放出が、神経活動の変化が局所的な変化につながる神経血管結合の原因ではないことを示しました。血流。同様に、Greer and Bearetal。（2016）GCaMPを使用して、化学受容器として膜貫通型MS4Aタンパク質を使用するネックレス嗅覚ニューロンシグナル伝達におけるCa2 +流入のダイナミクスを特徴付けました。
も参照してください
カルシウムイメージング
生物学におけるカルシウム
カルモジュリン
カメレオン（たんぱく質）
緑色蛍光タンパク質
ミオシン軽鎖キナーゼ
参考文献
^ 中井J、大倉M、井本K。「単一の緑色蛍光タンパク質で構成される高信号対雑音比のCa（2+）プローブ」。ネイチャーバイオテクノロジー。19（2）：137–41。土井：10.1038/84397。PMID11175727 。_ S2CID30254550 。_
^ Chen TW、Wardill TJ、Sun Y、Pulver SR、Renninger SL、Baohan A、etal。。「神経活動を画像化するための超高感度蛍光タンパク質」。自然。499（7458）：295–300。Bibcode：2013Natur.499..295C。土井：10.1038/nature12354。PMC3777791。_ PMID23868258。_
^ Barnett LM、Hughes TE、Drobizhev M（2017-02-09）。「GCaMP6mのCa2+依存性の蛍光変化の原因となる分子メカニズムの解読」。PLOSONE。12（2）：e0170934。Bibcode：2017PLoSO..1270934B。土井：10.1371/journal.pone.0170934。PMC5300113。_ PMID28182677。_
^ Whitaker M（2010-01-01）。「細胞内カルシウムの測定のための遺伝的にコード化されたプローブ」。細胞生物学の方法。99：153–82。土井：10.1016/B978-0-12-374841-6.00006-2。ISBN
9780123748416。PMC3292878 。_ PMID21035686 。_
^ Ji G、Feldman ME、Deng KY、Greene KS、Wilson J、LeeJCなど。。「Ca2+を感知するトランスジェニックマウス：平滑筋におけるシナプス後シグナル伝達」。Journal ofBiologicalChemistry。279（20）：21461–8。土井：10.1074/jbc.M401084200。PMID14990564。_ S2CID9532711。_
^ Akerboom J、Rivera JD、Guilbe MM、MalavéEC、Hernandez HH、Tian L、他 。「GCaMPカルシウムセンサーの結晶構造は、蛍光シグナルの変化のメカニズムを明らかにし、合理的な設計を支援します」。Journal ofBiologicalChemistry。284（10）：6455–64。土井：10.1074/jbc.M807657200。PMC2649101。_ PMID19098007。_
^ Wang Q、Shui B、Kotlikoff MI、Sondermann H。「GCaMP2によるカルシウム感知の構造的基礎」。構造。16（12）：1817–27。土井：10.1016/j.str.2008.10.008。PMC2614139。_ PMID19081058。_
^ Tallini YN、Ohkura M、Choi BR、Ji G、Imoto K、Doran R、etal。。「invivoでの心臓の細胞信号のイメージング：高信号Ca2+インジケーターGCaMP2の心臓発現」。アメリカ合衆国科学アカデミー紀要。103（12）：4753–8。Bibcode：2006PNAS..103.4753T。土井：10.1073/pnas.0509378103。PMC1450242。_ PMID16537386。_
^ Tian L、Hires SA、Mao T、Huber D、Chiappe ME、Chalasani SH、他 。「GCaMPカルシウムインジケーターが改善されたワーム、ハエ、マウスの神経活動のイメージング」。ネイチャーメソッズ。6（12）：875–81。土井：10.1038/nmeth.1398。PMC2858873。_ PMID19898485。_
^ Akerboom J、Chen TW、Wardill TJ、Tian L、Marvin JS、MutluSなど。。「神経活動イメージングのためのGCaMPカルシウムインジケーターの最適化」。ジャーナルオブニューロサイエンス。32（40）：13819–40。土井：10.1523/JNEUROSCI.2601-12.2012。PMC3482105。_ PMID23035093。_
^ 井上M。「生体内で複雑な脳回路のダイナミクスを調べるための遺伝的にコード化されたカルシウムインジケーター」。神経科学研究。169：2–8。土井：10.1016/j.neures.2020.05.013。PMID32531233。_ S2CID219559849。_
^ Haery L. 「GECOに切り替えますか？AAVエンコードカルシウムセンサーの概要」。blog.addgene.org 。2021-05-06を取得。
^ Bassett JJ、Monteith GR（2017-01-01）。「疾患におけるカルシウムチャネルの役割を評価し、ハイスループット創薬のためのプローブとして遺伝的にコード化されたカルシウムインジケーター」。下のイオンチャネル （PDF）。薬理学の進歩。巻 79. pp。141–171。土井：10.1016/bs.apha.2017.01.001。ISBN 9780128104132。PMID28528667 。_
^ ヤンY、劉N、彼Y、劉Y、Ge L、Zou L、他。。「改良されたカルシウムセンサーGCaMP-Xは、GCaMPのカルモジュリンによって誘発されるカルシウムチャネルの摂動を克服します」。ネイチャーコミュニケーションズ。9（1）：1504. Bibcode：2018NatCo…9.1504Y。土井：10.1038/s41467-018-03719-6。PMC5904127。_ PMID29666364。_
^ Zhang Y、RózsaM、Bushey D、Reep D、Broussard GY、Tsang A、他 （2020）。「jGCaMP8高速遺伝的にエンコードされたカルシウムインジケーター」：361685バイト。土井：10.25378/janelia.13148243.v4。 {{cite journal}}：
^ Dana H、Mohar B、Sun Y、Narayan S、Gordus A、Hasseman JP、他 。HäusserM（編）。「神経活動を画像化するための高感度の赤色タンパク質カルシウムインジケーター」。eLife。5：e12727。土井：10.7554/eLife.12727。PMC4846379。_ PMID27011354。_
^ Akerboom J、CarrerasCalderónN、Tian L、Wabnig S、Prigge M、TolöJ、他 （2013）。「多色神経活動イメージングおよび光遺伝学との組み合わせのための遺伝的にコード化されたカルシウムインジケーター」。分子神経科学のフロンティア。6：2。doi：10.3389/fnmol.2013.00002。PMC3586699。_ PMID23459413。_
^ 趙Y、荒木S、呉J、寺本T、チャンYF、中野M、他。。「遺伝的にエンコードされたCa²⁺インジケーターの拡張パレット」。科学。333（6051）：1888–91。土井：10.1126/science.1208592。PMC3560286。_ PMID21903779。_
^ Dana H、Sun Y、Mohar B、Hulse BK、Kerlin AM、Hasseman JP、他 。「ニューロン集団およびマイクロコンパートメントの活動を画像化するための高性能カルシウムセンサー」。ネイチャーメソッズ。16（7）：649–657。土井：10.1038/s41592-019-0435-6。PMID31209382。_ S2CID189927684。_
^ ヤン、ヘレンH .; サンピエール、フランソワ（2016-09-28）。「遺伝的にエンコードされた電圧インジケータ：機会と課題」。JournalofNeuroscience。36（39）：9977–9989。土井：10.1523/JNEUROSCI.1095-16.2016。ISSN0270-6474。_ PMC5039263。_ PMID27683896。_
^ Nguyen JP、Shipley FB、Linder AN、Plummer GS、Liu M、SetruSUなど。。「自由に行動するCaenorhabditiselegansにおける細胞分解能を備えた全脳カルシウムイメージング」。アメリカ合衆国科学アカデミー紀要。113（8）：E1074-81。arXiv：1501.03463。Bibcode：2016PNAS..113E1074N。土井：10.1073/pnas.1507110112。PMC4776509。_ PMID26712014。_
^ 武藤A、大倉M、小谷T、東島S、中井J、川上K。「改良されたGCaMPカルシウムインジケーターによる遺伝的視覚化は、ゼブラフィッシュの脊髄運動ニューロンの時空間的活性化を明らかにします」。アメリカ合衆国科学アカデミー紀要。108（13）：5425–30。Bibcode：2011PNAS..108.5425M。土井：10.1073/pnas.1000887108。PMC3069178。_ PMID21383146。_
^ 武藤A、川上K（2013）。「ゼブラフィッシュの幼生における獲物の捕獲は、認知機能を研究するためのモデルとして機能します」。神経回路のフロンティア。7：110。doi：10.3389/fncir.2013.00110。PMC3678101。_ PMID23781176。_
^ パーカーMO、ブロックAJ、ウォルトンRT、ブレナンCH（2013）。「実行機能の遺伝学と神経回路の解剖におけるゼブラフィッシュ（Daniorerio）の役割」。神経回路のフロンティア。7：63。doi：10.3389/fncir.2013.00063。PMC3619107。_ PMID23580329。_
^ Chen Q、Cichon J、Wang W、Qiu L、Lee SJ、Campbell NR、他 。「Thy1-GCaMPトランスジェニックマウスを使用した神経活動のイメージング」。Neuron。76（2）：297–308。土井：10.1016/j.neuron.2012.07.011。PMC4059513。_ PMID23083733。_
^ Peters AJ、Chen SX、Komiyama T。「運動学習中の再現可能な時空間活動の出現」。自然。510（7504）：263–7。Bibcode：2014Natur.510..263P。土井：10.1038/nature13235。PMID24805237。_ S2CID4463927。_
^ Ziv Y、Burns LD、Cocker ED、Hamel EO、Ghosh KK、KitchLJなど。。「CA1海馬の場所コードの長期的なダイナミクス」。ネイチャーニューロサイエンス。16（3）：264–6。土井：10.1038/nn.3329。PMC3784308。_ PMID23396101。_
^ Lin MZ、Schnitzer MJ。「神経活動の遺伝的にコード化された指標」。ネイチャーニューロサイエンス。19（9）：1142–53。土井：10.1038/nn.4359。PMC5557009。_ PMID27571193。_
^ Cichon J、Gan WB。「ブランチ固有の樹枝状Ca（2+）スパイクは、持続的なシナプス可塑性を引き起こします」。自然。520（7546）：180–5。Bibcode：2015Natur.520..180C。土井：10.1038/nature14251。PMC4476301。_ PMID25822789。_
^ ジョーンズJR、サイモンT、ローンズL、ヘルツォークED。「SCNVIPニューロンは概日システムの通常の光媒介リセットに不可欠です」。ジャーナルオブニューロサイエンス。38（37）：7986–7995。土井：10.1523/JNEUROSCI.1322-18.2018。PMC6596148。_ PMID30082421。_
^ Han SY、Clarkson J、Piet R、Herbison AE。「ホルモン分泌を制御する神経回路を調べるための光学的アプローチ」。内分泌学。159（11）：3822–3833。土井：10.1210/en.2018-00594。PMID30304401。_
^ Clarkson J、Han SY、Piet R、McLennan T、Kane GM、Ng J、etal。。「マウスにおける視床下部GnRHパルス発生器の定義」。アメリカ合衆国科学アカデミー紀要。114（47）：E10216–E10223。土井：10.1073/pnas.1713897114。PMC5703322。_ PMID29109258。_
^ Gunaydin LA、Grosenick L、Finkelstein JC、Kauvar IV、Fenno LE、Adhikari A、etal。。「社会的行動の根底にある自然な神経射影力学」。セル。157（7）：1535–51。土井：10.1016/j.cell.2014.05.017。PMC4123133。_ PMID24949967。_
^ Kaestner L、Scholz A、Tian Q、Ruppenthal S、Tabellion W、Wiesen K、etal。。「心筋細胞における遺伝的にコード化されたCa2+インジケーター」。循環研究。114（10）：1623–39。土井：10.1161/CIRCRESAHA.114.303475。PMID24812351。_
^ Chi NC、Shaw RM、Jungblut B、Huisken J、Ferrer T、Arnaout R、他 。「脊椎動物の心臓刺激伝導系の遺伝的および生理学的解剖」。PLOS生物学。6（5）：e109。土井：10.1371/journal.pbio.0060109。PMC2430899。_ PMID18479184。_
^ ボンダーDE、マッカーシーKD。「星状細胞のGq-GPCRにリンクされたIP3R依存性Ca2+シグナル伝達は、invivoでのマウス視覚野における神経血管カップリングを仲介しません」。ジャーナルオブニューロサイエンス。34（39）：13139–50。土井：10.1523/JNEUROSCI.2591-14.2014。PMC4172806。_ PMID25253859。_
^ Greer PL、Bear DM、Lassance JM、Bloom ML、Tsukahara T、PashkovskiSLなど。。「非GPCR化学センサーのファミリーは、哺乳類の嗅覚の代替ロジックを定義します」。セル。165（7）：1734–1748。土井：10.1016/j.cell.2016.05.001。PMC4912422。_ PMID27238024。_