超高感度カルシウムインジケーターGCAMP6の構造的基礎

GCAMPは、ニューロンイメージングおよびカルシウム細胞生物学で最も広く使用されているカルシウム指標の1つです。新しく開発されたGCAMP6は、カルシウム濃度の変化に対する優れた輝度と超感受性を示しています。この研究では、Ca（2+）に結合したGCAMP6モノマーと二量体の結晶構造を決定し、親バージョンのGCAMP5Gと比較して詳細な構造分析を提示しました。私たちの分析は、この新しく開発されたCA（2+）インジケーターのアウトパフォーマンスの構造的基盤を明らかにしています。3つの置換変異と局所構造と相互作用の結果の変化は、GCAMP6の3つのバージョンすべてに共通する超感受性と蛍光強度の増加を説明しています。3つのGCAMP6の各特定の置換は、それらの異なる感度と強度と構造的に一致しており、神経研究とカルシウムシグナル伝達の多様な問題を解決する際にGCAMP6を使用する可能性を最大化します。私たちの研究は、GCAMPの構造誘導最適化をさらに促進し、新しいカルシウム指標の設計を促進するためにも有益です。

GCaMP is one of the most widely used calcium indicators in neuronal imaging and calcium cell biology. The newly developed GCaMP6 shows superior brightness and ultrasensitivity to calcium concentration change. In this study, we determined crystal structures of Ca(2+)-bound GCaMP6 monomer and dimer and presented detailed structural analyses in comparison with its parent version GCaMP5G. Our analyses reveal the structural basis for the outperformance of this newly developed Ca(2+) indicator. Three substitution mutations and the resulting changes of local structure and interaction explain the ultrasensitivity and increased fluorescence intensity common to all three versions of GCaMP6. Each particular substitution in the three GCaMP6 is also structurally consistent with their differential sensitivity and intensity, maximizing the potential of using GCaMP6 in solving diverse problems in neuronal research and calcium signaling. Our studies shall also be beneficial to further structure-guided optimization of GCaMP and facilitate the design of novel calcium indicators.