Photoswitching alters fluorescence readout of jGCaMP8 Ca 2+ indicators tethered to Orai1 channels

生物物理学 荧光 化学 荧光团 全内反射荧光显微镜 费斯特共振能量转移 电生理学 膜片钳 口腔1 离子通道 膜电位 生物化学 生物 光学 神经科学 物理 受体 刺激1
作者
Joseph L. Dynes,Andriy V. Yeromin,Michael D. Cahalan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (39)
标识
DOI:10.1073/pnas.2309328120
摘要

We used electrophysiology and Ca 2+ channel tethering to evaluate the performance of jGCaMP8 genetically encoded Ca 2+ indicators (GECIs). Orai1 Ca 2+ channel–jGCaMP8 fusions were transfected into HEK 293A cells and jGCaMP8 fluorescence responses recorded by simultaneous total internal reflection fluorescence microscopy and whole-cell patch clamp electrophysiology. Noninactivating currents from the Orai1 Y80E mutant provided a steady flux of Ca 2+ controlled on a millisecond time scale by step changes in membrane potential. Test pulses to −100 mV produced Orai1 Y80E-jGCaMP8f fluorescence traces that unexpectedly declined by ~50% over 100 ms before reaching a stable plateau. Testing of Orai1-jGCaMP8f using unroofed cells further demonstrated that rapid and partial fluorescence inactivation is a property of the indicator itself, rather than channel function. Photoinactivation spontaneously recovered over 5 min in the dark, and recovery was accelerated in the absence of Ca 2+ . Mutational analysis of residues near the tripeptide fluorophore of jGCaMP8f pointed to a mechanism: Q69M/C70V greatly increased (~90%) photoinactivation, reminiscent of fluorescent protein fluorophore cis-trans photoswitching. Indeed, 405-nm illumination of jGCaMP8f or 8m/8s/6f led to immediate photorecovery, and simultaneous illumination with 405 and 488-nm light blocked photoinactivation. Subsequent mutagenesis produced a variant, V203Y, that lacks photoinactivation but largely preserves the desirable properties of jGCaMP8f. Our results point to caution in interpreting rapidly changing Ca 2+ signals using jGCaMP8 and earlier series GECIs, suggest strategies to avoid photoswitching, and serve as a starting point to produce more photostable, and thus more accurate, GECI derivatives.
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