Optical Control of Cell Signaling with Red/Far-Red Light-Responsive Optogenetic Tools in Caenorhabditis elegans

光遗传学 光敏色素 秀丽隐杆线虫 光刺激 生物 胆绿素 细胞生物学 远红色 视蛋白 神经科学 生物物理学 红灯 视紫红质 生物化学 视网膜 植物 基因 血红素 血红素加氧酶
作者
Sayaka Oda,Emi Sato-Ebine,Akinobu Nakamura,Koutarou D. Kimura,Kazuhiro Aoki
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:12 (3): 700-708
标识
DOI:10.1021/acssynbio.2c00461
摘要

Optogenetic techniques have been intensively applied to the nematode Caenorhabditis elegans to investigate its neural functions. However, as most of these optogenetics are responsive to blue light and the animal exhibits avoidance behavior to blue light, the application of optogenetic tools responsive to longer wavelength light has been eagerly anticipated. In this study, we report the implementation in C. elegans of a phytochrome-based optogenetic tool that responds to red/near-infrared light and manipulates cell signaling. We first introduced the SynPCB system, which enabled us to synthesize phycocyanobilin (PCB), a chromophore for phytochrome, and confirmed the biosynthesis of PCB in neurons, muscles, and intestinal cells. We further confirmed that the amount of PCBs synthesized by the SynPCB system was sufficient for photoswitching of phytochrome B (PhyB)-phytochrome interacting factor 3 (PIF3). In addition, optogenetic elevation of intracellular Ca2+ levels in intestinal cells induced a defecation motor program. These SynPCB system and phytochrome-based optogenetic techniques would be of great value in elucidating the molecular mechanisms underlying C. elegans behaviors.
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