Engineered Illumination Devices for Optogenetic Control of Cellular Signaling Dynamics.
Engineered Illumination Devices for Optogenetic Control of Cellular Signaling Dynamics.
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DOI：
10.1016/j.celrep.2020.107737
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发表时间：
2020-06-09
期刊：
影响因子：
8.8
通讯作者：
Schaffer, David, V
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Repina, Nicole A.;McClave, Thomas;Johnson, Hunter J.;Bao, Xiaoping;Kane, Ravi S.;Schaffer, David, V
发育过程中形态信号在空间和时间上的变化模式在适当的位置和时间驱动细胞命运的指定。然而，目前的体外方法通常不允许对形态发生信号进行精确、动态的时空控制，因此不足以容易地研究形态动力学如何影响细胞行为。在这里，我们证明了光遗传Wnt/β-连环蛋白途径的激活可以使用用于光遗传光刺激和可变幅度(LAVA)的光激活的工程照明设备以用户定义的强度、时间序列和空间模式来控制。通过对不同光照强度的人类胚胎干细胞(HESC)培养进行模式化，熔岩设备能够实现对光Wnt激活和短暂性表达的剂量反应控制。此外，光的时间变化和空间局部化模式揭示了组织模式，模拟了Wnt信号在体外的胚胎呈现。因此，熔岩设备提供了一种低成本、用户友好的方法，用于在发育和细胞生物学应用中对细胞信号进行高通量和时空光遗传控制。有了光遗传学，蛋白质之间的相互作用和细胞信号可以用光来控制。为了允许将用户定义的照明图案投射到细胞培养上，Repina等人。设计了可编程的光刺激设备，称为熔岩设备，并使用它们在人类胚胎干细胞中光遗传地诱导Wnt信号模式。
Spatially and temporally varying patterns of morphogen signals during development drive cell fate specification at the proper location and time. However, current in vitro methods typically do not allow for precise, dynamic spatiotemporal control of morphogen signaling and are thus insufficient to readily study how morphogen dynamics affect cell behavior. Here, we show that optogenetic Wnt/β-catenin pathway activation can be controlled at user-defined intensities, temporal sequences, and spatial patterns using engineered illumination devices for optogenetic photostimulation and light activation at variable amplitudes (LAVA). By patterning human embryonic stem cell (hESC) cultures with varying light intensities, LAVA devices enabled dose-responsive control of optoWnt activation and Brachyury expression. Furthermore, time-varying and spatially localized patterns of light revealed tissue patterning that models the embryonic presentation of Wnt signals in vitro. LAVA devices thus provide a low-cost, user-friendly method for high-throughput and spatiotemporal optogenetic control of cell signaling for applications in developmental and cell biology. With optogenetics, protein-protein interactions and cell signaling can be controlled with light. To allow user-defined illumination patterns to be projected onto cell cultures, Repina et al. designed programmable photostimulation devices called LAVA devices and use them to optogenetically induce patterns of Wnt signaling in human embryonic stem cells.
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Duan L;Hope J;Ong Q;Lou HY;Kim N;McCarthy C;Acero V;Lin MZ;Cui B
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