• No results found

Fluorescent sensor proteins for intracellular metal imaging

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Fluorescent sensor proteins for intracellular metal imaging"

Copied!
188
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

Fluorescent sensor proteins for intracellular metal imaging

Citation for published version (APA):

Vinkenborg, J. L. (2010). Fluorescent sensor proteins for intracellular metal imaging. Technische Universiteit Eindhoven. https://doi.org/10.6100/IR672725

DOI:

10.6100/IR672725

Document status and date: Published: 01/01/2010

Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

(2)

Fluorescent sensor proteins for intracellular metal imaging

PROEFSCHRIFT

ter verkrijging van de graad van doctor aan de

Technische universiteit Eindhoven, op gezag van de

rector magnificus, prof.dr.ir. C.J. van Duijn, voor een

commissie aangewezen door het College voor

Promoties in het openbaar te verdedigen

op maandag 10 mei 2010 om 16.00 uur

door

Jan Leendert Vinkenborg

(3)

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor:

prof.dr. E.W. Meijer

Copromotor:

dr. M. Merkx

Cover design: Chris Weel

Printing: Wöhrmann Print Service, Zutphen

A catalogue record is available from the Eindhoven University of Technology Library ISBN: 978-90-386-2206-4

(4)
(5)
(6)

1

Chapter 1 Intracellular imaging of Zn2+ homeostasis 3

Chapter 2 Optimization of the FRET-based Zn2+ sensor ZinCh-9

yields the first genetically encoded Cd2+ sensor

33

Chapter 3 Enhanced sensitivity of FRET-based protease sensors by

redesign of the GFP dimerization interface

63

Chapter 4 Determination of cytosolic zinc levels using FRET sensors

based on conformational switching

75

Chapter 5 Imaging of zinc homeostasis in pancreatic β-cells using

protein-based FRET sensors

99

Chapter 6 Mag-FRET-1 and 2, the first genetically encoded Mg2+

sensors 125 Chapter 7 Epilogue 155 List of abbreviations 171 Summary 173 Samenvatting 175 Curriculum Vitae 179 List of publications 180 Dankwoord 181

(7)
(8)

Chapter

1

Intracellular imaging of Zn

2+

homeostasis

   

Abstract. The transition metal Zn2+ poses an interesting dilemma to living cells, as it is essential for 

numerous cellular functions, yet at the same time toxic in its free form. As a result, the cell keeps the 

free  concentration  of  cytosolic  Zn2+  under  tight  control  using  zinc  importers,  exporters  and  Zn2+

storage proteins. This chapter gives an overview of the biological roles of Zn2+ in the human body, the 

proteins involved in maintaining adequate intracellular Zn2+ levels and the pathologies emerging upon 

dyshomeostasis  of  this  metal  ion.  To  gain  more  information  about  the  mechanisms  involved  in  zinc 

homeostasis,  tools  are  required  that  allow  intracellular  detection  of  the  free  Zn2+  concentration  with 

high spatiotemporal resolution. Synthetic Zn2+ sensors, consisting of a Zn2+‐chelating unit attached to 

a fluorescent reporter, can be easily loaded into the cells and have been successfully used to monitor 

intracellular  changes  in  Zn2+  levels.  An  alternative  approach  involves  the  use  of  genetically  encoded 

sensors  that  consist  of  a  Zn2+‐binding  protein  domain  fused  to  a  fluorescent  protein  domain.  Such 

protein‐based  sensors  are  attractive  because  they  do  not  require  cell‐invasive  procedures,  their  concentration  can  be  tightly  controlled  and  they  can  be  targeted  to  different  locations  in  the  cell. 

Attempts  have  already  been  made  to  create  protein‐based  sensors  for  Zn2+,  but  their  application  for 

intracellular  imaging  has  been  limited.  Therefore  the  primary  goal  of  the  research  described  in  this 

thesis  was  the  development  of  a  genetically  encoded  FRET  sensor  to  monitor  intracellular  free  Zn2+ 

levels. 

Part of this work has been published in: Vinkenborg, J.L., Koay M.S., Merkx M. Curr. Op. Chem. Biol.  14: 231‐237(2010). 

(9)

  4

Cellular transition metal homeostasis 

The unique  chemical properties of transition metal (TM) ions such as iron, zinc and  copper render them indispensable catalytic and structural components of numerous proteins  involved in a wide variety of cellular functions, including respiration, cell signaling, electron  transfer, and neurotransmission1‐3. The total cellular concentration of these ‘trace’ metal ions  can easily reach 10‐100 M4, yet at the same time transition metal ions are also known to be  highly toxic in their free aquatic form. Redox active metal ions such as iron and copper are  potent catalysts for the formation of reactive oxygen species (ROS) leading to DNA damage  and  apoptosis5,6.  Zinc  is  not  redox  active  but  its  high  affinity  for  a  variety  of  protein  side  chains make Zn2+ a promiscuous protein binder that, even at nanomolar concentrations, can  result  in  protein  aggregation  or  enzyme  inhibition7‐9.  Consequently,  TM  homeostasis  is  a  delicate and highly regulated balance that involves an intricate network of controlled uptake,  storage,  secretory  and  regulatory  pathways8,10.  Much  of  what  we  know  about  TM  homeostasis  has  been  inferred  from  the  in  vitro  characterization  of  individual  components  such  as  transcription  factors  and  chaperones.  However,  to  understand  the  dynamics  and  adaptability of cellular TM homeostasis, tools are required that allow measuring of the actual  TM  concentration  and  changes  therein  at  the  level  of  a  single  living  cell  with  high  spatiotemporal resolution. Such tools would permit one to address key questions regarding  the possible misregulation of TM homeostasis in the pathophysiology of diabetes, cancer and  several neurodegenerative diseases6,11,12

The  main  focus  of  this  thesis  is  the  development  and  characterization  of  several  sensors  for  the  transition  metal  ion  Zn2+,  together  with  their  application  in  live  cells.  In  addition, we also report on genetically encoded sensors for Cd2+ and Mg2+. This chapter gives  an  introduction  on  the  role  of  Zn2+  in  health  and  disease,  the  proteins  involved  in  Zn2+  homeostasis and on the available fluorescent tools to monitor this metal ion. 

 

Coordination chemistry of Zn

2+

 

Zinc is the second most abundant transition metal in the human body and is essential  for hundreds of proteins by playing either a structural, catalytic or messenger role13,14. Why 

(10)

 

5

does  the  human  body  specifically  use  zinc  in  such  a  variety  of  processes  instead  of  other  common metal ions? First, zinc is redox inactive, which is crucial for its role in nucleic acid  binding15. Metal ions such as iron and copper are redox active, which could result in radical  formation  and  subsequent  damage  of  DNA16,17.  Second,  Zn2+  lacks  a  preferred  coordination  number,  allowing  it  to  readily  form  4‐,  5‐  or  6‐coordinate  complexes  in  proteins.  This  versatility,  combined  with  the  Lewis  acid  characteristics  of  zinc  has  contributed  to  its  widespread use as a catalytic cofactor.  

In terms of hard‐soft acid‐base theory, Zn2+ is regarded as a borderline acid and thus  Zn2+  can  interact  with  a  variety  of  ligands  such  as  sulfur  from  cysteine,  nitrogen  from  histidine  and  oxygen  from  glutamate  and  aspartate18.  In  this  respect,  Ca2+  and  Mg2+  have  a  much ‘harder’ character, resulting in a strong preference for ligands such as the oxygen from  glutamate.  When  we  take  a  look  at  the  relative  strength  of  the  interactions  between  metals  and  their  ligands,  the  S‐M2+  bond  almost  has  a  covalent  character  and  is  relatively  strong  compared to the O‐M2+ bond, which is based more on electrostatic interactions. As a result S‐ M2+ interactions, such as between cysteines and Zn2+ are much more suitable for high affinity  structural  sites  from  which  metal  release  is  undesirable19,20,  whereas  the  O‐M2+  bond  (e.g.  between  a  glutamic  acid  and  Ca2+)  allows  the  fast  exchange  required  during  signaling.  Indeed,  cysteines  and  histidines  are  the  most  prevalent  amino  acids  in  structural  zinc  sites  (Figure  1A)21.  In  tetra‐coordinated  structural  sites,  the  Cys4  binding  sequence  is  by  far  the  most  common,  but  the  Cys2His2  zinc‐finger  motif  is  probably  most  widely  known.  This  sequence  was  discovered  in  the  protein  transcription  factor  IIIA  (TFIIIA)22  and  has  been  found  in  many  other  proteins  since23,24,  including  other  transcription  factors25,  the  tumor  suppressor  p5326,  the  steroid‐thyroid  hormone  receptor  superfamily27  and  many  others.  Catalytic sites show a more heterogeneous distribution over the different binding sequences  compared to structural sites, as the Zn2+ ion should be available for catalytic activity (Figure  1B). The first catalytical site was found in carbonic anhydrase in 194028, followed by sites in  hydrolases,  metalloproteases,  alcohol  dehydrogenases  and  lyases18.  In  cocatalytic  sites,  two  or more metal ions are located in close proximity of each other and both ions are required for  catalytical  activity13.  Although  a  few  of  these  sites  only  contain  zinc  ions,  typically  zinc  is  found in combination with copper, iron or magnesium13. Examples of enzymes that contain a 

(11)

 

6

cocatalytic site include  phosphatases29, aminopeptidases30,31, superoxide dismutases32 and ‐ lactamases33.  

A: structural proteins B: catalytic proteins

A: structural proteins B: catalytic proteins

  Figure 1: Prevalence of Zn2+ binding amino acid motifs in structural or catalytic zinc binding sites.  Tetra‐coordinated zinc binding patterns (ZBPs) in structural proteins (A), and catalytic proteins (B).  The zinc ligands are presented in order of appearance in the sequence (from N to C terminal).    

Biological functions of Zn

2+

 

The  total  content  of  zinc  in  human  adults  is  between  2  and  3  grammes34.  Different  amounts of daily Zn2+ intake are required depending on age, but adults on average require  10‐15  mg  per  day  34.  The  ingested  zinc  is  absorbed  by  epithelial  cells  in  the  jejunum  and  ileum,  assisted  by  the  presence  of  glucose  in  the  intestinal  lumen.  Zinc  is  excreted  through  the  gastrointestinal  tract35,  secretion  from  the  proximal  tubule36  and  sweat37,  resulting  in  a  total loss of 3‐6 mg per day that is replenished by dietary intake. In human blood plasma, the  total zinc content is ~1 mg per liter. Most of this zinc is bound to proteins: either tightly to 2‐ macroglobulin  (~30%)38  or  loosely  bound  to  other  proteins  such  as  albumin39.  The  loosely  bound  zinc  is  ready  for  uptake  by  individual  organs  or  tissues  when  needed.  Due  to  the  widespread use of zinc in structural and catalytic sites of proteins, zinc is essential in many  physiological  processes  in  the  human  body,  including  retinal  function40,  spermatogenesis41 functioning  of  T‐cells  in  the  immune  system42,  insulin  secretion  from  the  pancreas12  and  neurological activity43. The role of zinc in the latter has been the subject of intense research  for many years44 and will be briefly described here.  

Zinc  enters  the  brain  via  the  blood‐brain  and  the  blood‐cerebrospinal  fluid  barrier  after  binding  to  L‐histidine45,  followed  by  uptake  in  neuronal  cells.  During  neurotransmission,  neuronal  vesicles  containing  high  concentrations  of  zinc  (>  1  mM46)  can 

(12)

 

7

undergo  exocytosis,  thereby  releasing  zinc  into  the  surrounding  milieu  and  making  it  available  for  uptake  in  neighboring  cells  (Figure  2).  Concomitantly  with  zinc,  glutamate  is  also released, resulting in the term ‘gluzinergic’ neurons47,48. Such neurons are not distributed  uniformly  in  the  brain,  but  instead  can  be  found  mostly  in  the  cerebral  cortex  and  in  the  limbic  structures  of  the  forebrain,  including  the  amygdala  and  hippocampus,  from  which  they  form  a  network  into  surrounding  parts  of  the  brain49,50.  Detection  of  zinc  using  histochemical  staining  in  these  surrounding  parts  implies  that  zinc  might  play  a  role  in  various neuromodulatory effects, including motor coordination51, vision52, auditory stimuli47  and, cortical plasticity53,54. The latter represents changes in neuronal organization involved in  neurons  that  are  responsible  for  learning  and  memory.  Various  studies  have  focused  on  targets for synaptically released zinc, resulting in a number of postsynaptic channel proteins  such  as  nicotinic  receptors55,  serotonin  receptors56  and  voltage‐gated  channels57  whose  activity might be altered due to Zn2+ binding. In addition, zinc has been shown to be a strong  inhibitor  of  ‐aminobutyric  acid  (GABA)  receptors  and  N‐Methyl‐D‐Aspartate  (NDMA) 

receptors58. However, the results of this inhitory effect are under debate, as forebrain neurons  have  been  shown  to  be  more  excitable59,  less  excitable60  or  unaffected58  by  presynaptically  released  zinc.  Similar  controversies  can  be  found  regarding  the  role  of  zinc  in  cognitive  function. Dietary zinc appears to have a positive effect on psychosocial functioning, yet zinc  has  also  been  suggested  to  reduce  neurite  outgrowth  and  branching61,  which  are  both  essential processes for synaptic plasticity62. These controversies regarding the role of zinc in  neurotransmission clearly illustrate that more research is required to elucidate the exact role  of zinc in synaptogenesis and dendritic branching. 

(13)

 

8

  Figure  2:  Zinc  trafficking  at  the  gluzinergic  synapse.  Zinc  enters  the  synaptic  vesicles  via  the  zinc 

transporter ZnT3 and is stored in these vesicles together with glutamate. Neuronal stimulation results 

in exocytosis of these vesicles and thus release of Zn2+ and glutamate in the synaptic cleft, where it can 

act  on  membrane  proteins  on  the  postsynaptic  cleft,  thereby  altering  the  activity  of  these  proteins. 

Postsynaptic targets of Zn2+ appear to include GABA receptors, NMDA receptors, voltage‐gated Ca2+ 

channels or other ion channels that have not been well defined yet. Picture obtained from 44

 

Zinc related diseases 

  Considering  the  wide  variety  of  functions  in  which  Zn2+  plays  a  role,  it  is  not  surprising  that  Zn2+  deficiency  can  lead  to  a  broad  range  of  pathologies63.  Limited  dietary  zinc  has  been  shown  to  lead  to  growth  retardation64,65,  diarrhea66,  eye  and  skin  lesions67 impotence68  and  delayed  sexual  maturation69.  In  addition  to  deficiency,  zinc  overload  can  also adversely affect the human body, leading to neuronal excitotoxity, oxidative stress and  ischemic  cell  death43,44.  Both  zinc  deficiency  and  overload  have  been  reported  to  induce  apoptosis70‐72,  showing  that  to  maintain  proper  cell  functioning,  zinc  homeostasis  must  be  under tight control (Figure 3). 

(14)

 

9

Zinc overload

Zinc deficiency Apoptosis

Amyloid plaque formation Excitotoxicity Ischemia Oxidative stress

Apoptosis

Amyloid plaque formation Retarded growth Diarrhea

Skin and eye lesions Impotence

Delayed sexual maturation

  Figure 3: A wide range of pathologies are related to zinc overload and zinc deficiency, emphasizing the 

importance  of  tight  control  over  intracellular  zinc  homeostasis  by  the  human  body.  Picture  adapted  from 44

 

Zinc has also been implicated to be directly or indirectly involved in the development  of  numerous  neurological  diseases  including  schizophrenia,  amyotrophic  lateral  sclerosis,  depression,  epilepsy,  ischemia  and  Alzheimer’s  disease  (AD)1,6.  Zinc  appears  to  play  an  important  role  in  AD,  as  high  concentrations  of  zinc  are  observed  in  neuritic  plaques  and  amyloid deposits in both humans and mice73,74. In addition, the interactions between zinc and  amyloid  ‐protein  (A)  have  been  shown  to  lead  to  aggregation  into  amyloid  plaques  in 

vitro75.  However,  zinc  might  also  have  a  protective  role  in  the  development  of  AD,  as  A 

accumulation appears to be enhanced by oxidative stress76,77, while the redox activity of A  peptides  is  quenched  in  presence  of  zinc  78,79.  The  total  amount  of  Zn2+  in  the  AD  brain  is  a  matter of debate, as several studies reported increased zinc levels78,80‐82, while others observed  unchanged83 or even decreased73,84 levels of zinc in the AD brain. Overall, zinc appears to be  connected to AD, but the exact role requires further investigation.  

 

Zinc homeostasis 

The  pathological  consequences  of  both  zinc  deficiency  and  excess  zinc  suggest  that  tight control over the amount of Zn2+ is required for proper functioning of the cell. Indeed,  the total zinc content of E. coli is in the millimolar range , but the femtomolar affinities of the 

(15)

  10 zinc sensitive transcription factors Zur and ZntR have been used to argue that almost no free  zinc is present in this organism85. Similarly human cells can reach total zinc concentrations of  up to 100 M34, but most of this zinc seems buffered, as free intracellular zinc concentrations  have been suggested to be in the pico‐ to nanomolar range86,87.   Zn2+ MT ZIP ZnT Zn2+ MT ZIP ZnT   Figure 4: Cytosolic Zn2+ levels in mammalian cells are tightly controlled. Transport of zinc into the  cytoplasm from either organelles or the extracellular matrix is directed by the ZIP transporter family.  The ZnT family is responsible for the export from the cytosol. In the cytosol, metallothioneins (MTs)  can bind up to 7 Zn2+ ions per protein and function as a buffering system. The active transport and  buffering mechanisms lead to a free cytosolic Zn2+ concentration that is estimated to be well below a  nanomolar level. Adapted from 88   In the cytosol, Zn2+ is buffered by metallothioneins (MTs), which are part of a whole  machinery  of  proteins  involved  in  zinc  homeostasis  (Figure  4).  MTs  contain  at  least  three  classes  of  binding  sites with  different  affinities,  allowing  it  to  act  as  an efficient  Zn2+  buffer  over a wide concentration range. One zinc ion is bound relatively weak (log K = 7.7), two zinc  ions are bound with an intermediate affinity (log K = 9.9 and 10.4) and four ions are bound  tightly (log K = 11.8) at pH 7.489 to MT, resulting in control over nanomolar to picomolar free  Zn2+  concentrations,  depending  on  the  amount  of  apoprotein  thionein  and  its  redox  state90 Based  on  these  findings,  Maret  and  coworkers  suggested  that  MTs  can  keep  Zn2+  concentrations  in  the  pico‐  to  nanomolar  range,  which  allows  Zn2+  to  be  incorporated  into 

(16)

 

11

structural  and  catalytic  sites  of  proteins  to  enable  essential  enzymatic  activity,  while  at  the  same time these concentrations prevent zinc to bind to inhibitory sites on certain proteins7,91.  

Next  to  being  buffered  by  MTs,  part  of  the  intracellular  Zn2+  is  also  stored  in  organelles  such  as  endosomes,  mitochondria,  the  endoplasmatic  reticulum  (ER)  and  secretory vesicles. In these compartments, total and potentially free zinc concentrations can  become very high, as millimolar Zn2+ levels were reported in secretory vesicles of pancreatic  ‐cells92.  To  allow  these  differences  in  Zn2+  concentrations  in  the  cytosol  and  various  organelles  to  occur,  active  transport  between  the  cytosol  and  individual  compartments  is  required. Two families of Zn2+ transporters are known that transport zinc in and out of the  cytosol93.  Zinc  importer  proteins  (ZIP)  are  responsible  for  zinc  import  from  either  the  extracellular  fluid  or  from  various  organelles.  Fourteen  members  of  this  family  have  been  identified  thus  far,  their  activity  being  demonstrated  either  by  uptake  of 65Zn  or  using  membrane permeable synthetic probes that change in fluorescence intensity upon binding of  Zn2+.  ZIP  proteins  are  mostly  observed  at  the  plasma  membrane,  although  ZIP7  was  also  localized  at  the  Golgi  apparatus94.  The  mechanism  of  Zn2+  uptake  by  ZIP  transporters  is  poorly  understood,  but  since  the  activity  of  ZIP1  and  ZIP2  does  not  require  ATP  and  transport activity is induced by HCO3‐, transport might be through a symport mechanism95.  However,  elucidation  of  the  crystal  structure  of  one  of  the  ZIP  variants  is  required  to  gain  more insights into the exact transport mechanism of this protein family. 

Export of zinc from the cytosol is carried out by proteins from the ZnT family. This  family consists of 10 mammalian variants (ZnT1‐10) and their transporter activity has been  confirmed  either  by  measuring  cell  survival  in  medium  containing  high  zinc  levels96  or  by  measuring zinc efflux from transfected mammalian cells or accumulation in mutated cells97,98 Most  ZnTs  contain  6  transmembrane  domains  and  all  have  their  N‐  and  C‐  termini  on  the  cytoplasmic side of the membrane99. The localization of each variant is different, with ZnT1  being  exclusively  present  at  the  plasma  membrane100,  while  the  other  variants  localize  at  vesicular membranes, in the nucleus or in the ER, sometimes in combination with the plasma  membrane93.  ZnT3  has  been  found  to  be  localized  in  the  membrane  of  secretory  vesicles  of  neuronal  cells,  enabling  release  of  large  quantities  of  zinc  upon  exocytosis  during  neurotransmission44. In the past few years, ZnT8 has raised a lot of interest. This transporter 

(17)

 

12

localizes  almost  exclusively  on  the  membrane  of  secretory  vesicles  in  pancreatic  ‐  and  ‐ cells101 and in humans, two polymorphisms of ZnT8 are known that either have an arginine  or  a  tryptophan  at  position  325.  The  arginine  variant  generates  a  16%  increased  risk  of  developing  type  II  diabetes102,  suggesting  a  direct  link  between  zinc  homeostasis  and  this  disease. No mechanism for zinc transport by ZnTs is known, but since homologous proteins  function  as  antiporters  exchanging  Zn2+  for  H+  or  K+  103,104,  the  ZnTs  might  also  function  as  antiporters.  Recent  elucidation  of  the  crystal  structure  of  the  bacterial  Zn2+  exporter  Yiip  is  consistent  with  this  hypothesis,  as  this  protein  also  functions  as  a  Zn2+/H+  antiporter  and  shows 25‐30% homology with mammalian ZnT3 and ZnT8 variants105

An  important  regulator  of  zinc  homeostasis  in  mammalian  cells  is  metal  responsive  element binding factor 1 (MTF‐1)106. MTF‐1 is a 72.5 kDa protein that contains 6 zinc finger  domains  that  are  highly  conserved107,108.  Upon  binding  of  zinc  to  MTF‐1,  this  protein  is  translocated  to  the  nucleus,  where  it  binds  to  promoters  containing  a  metal  responsive  element (MRE)108. This results in expression of metallothioneins108, ZnT1109 and other proteins  involved  in  metal  homeostasis  or  oxidative  stress110.  Indirectly,  MTF‐1  is  also  responsive  to  excess cadmium or copper. At elevated cytosolic concentrations, these metal ions can bind to  MTs,  thereby  displacing  Zn2+  that  subsequently  activates  MTF‐1111,112.  The  exact  mechanism  by which MTF‐1 senses and responds to changes in intracellular zinc concentrations is still a  matter of debate. Circular dichroism and NMR measurements by Giedroc et al. were used to  propose a model in which zinc finger 5 and 6 form the metalloregulatory part that mediates  DNA binding113,114. However, other data suggest that zinc fingers 1 and 2 are important for  metalloregulatory function115,116, whereas zinc fingers 5 and 6 are necessary for transcriptional  functions of MTF‐1 that do not require zinc117.    

Fluorescence imaging 

The importance of Zn2+ in neurotransmission and neurological disorders illustrate the  need  for  tools  to  image  the  free  Zn2+  concentration  in  living  cells  in  real  time.  Because  fluorescence  microscopy  allows  intracellular  imaging  of  live  cells  at  submicrometer 

(18)

 

13

resolution,  several  fluorescent  sensor  systems  for  Zn2+  have  been  developed  over  the  past  decades, using either synthetic molecules or proteins as building blocks.  

 

Synthetic Zn

2+

 sensors 

The development of synthetic fluorescent sensor dyes for zinc imaging has become a  very active area in chemical biology118‐122. A large amount of synthetic dyes is now available,  and  each  year  new  dyes  are  reported  that  show  improved  properties  for  intracellular  imaging  relative  to  older  variants.  The  sensors  usually  consist  of  a  fluorophore  that  is  modified  with  a  Zn2+‐chelating  group  and  binding  of  Zn2+  generates  a  change  in  emission  intensity and/or wavelength. In this paragraph, we do not attempt to give a full overview of  the available dyes, but briefly sketch the history of synthetic Zn2+ sensors and mention some  of the key sensors that were developed.  

The  first  reported  fluorescent  Zn2+  sensor  was  6‐methoxy‐8‐p‐toluenesulfonamide  quinoline  (TSQ),  which  selectively  binds  Zn2+  using  a  quinoline  moiety  and  showed  an  increase  in  intensity  at  495  nm  upon  Zn2+  binding123.  As  TSQ  is  poorly  soluble  in  water,  derivatives have been synthesized that display improved solubility. One of these derivatives,  Zinquin  (Scheme  1),  displayed  a  Kd  for  Zn2+  of  7  M  and  has  been  used  to  image  Zn2+  in  living  cells70.  However,  quinoline  derivatives  generally  have  the  disadvantage  of  a  low  quantum  yield  and  require  excitation  at  UV  wavelengths,  which  is  potentially  toxic  to  the  cells.   SO2 N NH O HO2C N N N R DPA Zinquin   Scheme 1: Structure of Zinquin and the commonly used DPA moiety. 

(19)

 

14

Subsequently, many Zn2+ sensors were developed that can be excited by visible light.  A  commonly  used  fluorophore  in  these  sensors  is  fluorescein,  which  displays  a  high  quantum  yield  in  aqueous  solution  and  has  an  excitation  maximum  around  488  nm.  The  group  of  Nagano  generated  a  series  of  Zn2+  dyes  called  ZnAF’s  by  combining  fluorescein  with di‐2‐picolylamine (DPA) moieties (Scheme 1), one of the most frequently used chelating  moieties  in  Zn2+  sensors124,125.  These  sensors  showed  affinities  between  0.78  nM  and  5.5  nM  and could be used to monitor release of Zn2+ from hippocampal mossy fibers121. Lippard et al.  also  used  fluorescein  derivatives  in  combination  with  DPA  moieties  to  create  multiple  sensors, called Zinpyrs126. Among these, Zinpyr‐4 displayed a 6‐7 fold increase in emission at  515 nm and a high Kd for Zn2+ of 0.65 nM that allowed visualization of the zinc pool in the  hippocampal area of the brain from rats127

One  of  the  most  frequently  used  fluorescein‐based  dyes  is  FluoZin‐3  (Invitrogen).  This probe has a Kd of 15 nM and shows a large increase in emission at 515 nm upon binding  of  Zn2+  128.  FluoZin‐3  was  originally  used  to  monitor  Zn2+  release  from  pancreatic  ‐cells  during insulin secretion (Figure 5) and has been applied in multiple cell‐types since129‐131.  

A

B

O O F KO F N(H)CH2CO2K OCH2CH2O N(CH2CO2K)2 OMe

A

B

O O F KO F N(H)CH2CO2K OCH2CH2O N(CH2CO2K)2 OMe   Figure 5: (A) Chemical structure of FluoZin‐3. (B) Imaging of Zn2+ secretion from pancreatic β‐cells  using FluoZin‐3. Images show fluorescence intensities that were normalized using the fluorescence of 

the  starting  image.  The  temporal  response  of  Zn2+  secretion  was  analyzed  using  the  four  regions  of 

interest (ROI) as indicated in the first image. The traces from top to bottom correspond to the ROI 1, 

2, 3, 4, respectively. Picture reproduced from 128

(20)

 

15

The natural tendency of rhodamine and Texas Red to accumulate in mitochondria has  allowed  the  development  of  a  Zn2+  dye  targeted  to  this  organelle.  Sensi  et  al.  developed  Rhodzin‐3 (Kd for Zn2+ = 65 nM), a rhodamine‐based dye that showed an increase in emission  at  575  nm  upon  Zn2+  binding  and  was  used  to  detect  changes  in  mitochondrial  Zn2+  levels  (Figure 6)132 A B O N(CH3)2 (H3C)2N N(H)CH2CO2-AM OCH2CH2O N(CH2CO2-AM)2 OMe (AM=CH2OC(O)CH3) + A B O N(CH3)2 (H3C)2N N(H)CH2CO2-AM OCH2CH2O N(CH2CO2-AM)2 OMe (AM=CH2OC(O)CH3) +   Figure  6:  (A)  Chemical  structure  of  RhodZin‐3.  (B)  Fluorescence  microscopy  image  showing 

RhodZin‐3  AM  (red  fluorescence)  and  the  mitochondrial  selective  probe  MitoTracker  Green  (green 

fluorescence)132.  Yellow  fluorescence  indicates  co‐localization  of  the  two  fluorescent  dyes.  Bar  is  10 

μM. Picture reproduced from 132.

 

The  synthetic  dyes  that  are  discussed  thus  far  display  an  increase  in  intensity  upon  binding of Zn2+. As these increases are often several‐fold, they are easy to detect. However,  the emission intensity can also be affected by factors such as photobleaching, changes in the  probe  concentration  and  changes  in  excitation  light  energy.  One  way  to  circumvent  these  artifacts  is  by  using  probes  in  which  Zn2+  binding  induces  a  change  in  the  fluorescence  intensities at two different wavelengths. The ratio between these two emissions can then be  used  as  a  measure  of  the  Zn2+  concentration  that  is  less  sensitive  to  changes  in  sensor  concentration,  photobleaching  and the  intensity  of  excitation  light.  FuraZin  (Scheme  2)  and  IndoZin  (Invitrogen)  are  two  examples  of  commercially  available  ratiometric  sensors  with  micromolar affinities that are derived from the synthetic Ca2+ dyes Fura (Scheme 2) and Indo  respectively. They both use the BAPTA (O,O’‐bis(2‐aminophenyl)ethylene‐glycol‐N,N,N’,N’‐ tetraacetic acid) structure to bind Ca2+. By using the DPA moiety instead of BAPTA, Nagano 

(21)

 

16

recently,  the  same  group  combined  the  DPA  moiety  with  iminocoumarin  to  create  the  ratiometric dye ZnIC with high affinity and specificity for Zn2+ (Kd = 1.3 pM) that was applied  to  HEK293  and  neuronal  cells134.  Kikuchi  et  al.  fused  the  DPA  moiety  to  a  coumarin  derivative  to  obtain  a  ratiometric  sensor  with  affinity  similar  to  ZnIC  (Kd  =  3.6  pM),  but  a  smaller  ratiometric  change  upon  Zn2+  binding  and  a  lower  specificity135.  Nevertheless,  this  dye was also able to report on changes in Zn2+ concentration in live cells.  O N O COOH OMe N HOOC HOOC O N O COOH O N O N COOH COOH HOOC HOOC N N O N O COOH OMe N H N A B C Scheme 2: Schematic representations of Fura‐2 (A), FuraZin (B) and ZnAF‐R2 (C).     As illustrated by all the examples mentioned above, synthetic Zn2+ dyes are attractive  tools to monitor Zn2+ levels in live cells with high spatiotemporal resolution. Depending on  the  application,  one  can  choose  a  dye  that  best  suits  a  particular  experiment  from  a  wide  range of colors and affinities. Although solubility issues that resulted in poor loading of the  cells have been a problem, dyes can now be functionalized with an acetoxymethyl(AM)‐ester  that  allows  easy  uptake  in  the  cells.  Following  uptake,  the  ester  is  hydrolyzed,  effectively  preventing efflux of the dye from the cell. However, synthetic dyes come with a few intrinsic  limitations.  Although  RhodZin‐3  displays  targeting  to  mitochondria,  localization  in  an  organelle of interest is rather the exception than the rule and usually the result of trial and  error  instead  of  rational  design.  In  addition,  although  the  majority  of  a  ‘nonlocalized’  dye  will  accumulate  in  the  cytosol,  a  certain  amount  will  also  enter  organelles  such  as  the  nucleus,  ER  or  mitochondria,  excluding  their  ability  to  report  on  a  specific  location  in  the  cell136.  Furthermore,  both  leakage  and  extreme  accumulation  of  dye  have  been  shown  to  influence  the  fluorescence  readout  during  intracellular  measurements,  even  for  ratiometric  sensors137,138.  

(22)

 

17

Genetically encoded sensors  

Many  of  the  intrinsic  limitations  of  synthetic  probes  can  be  overcome  by  using  proteins as building blocks to create a sensor in which a native ligand binding protein is used  in combination with fluorescent protein domain(s). Such protein‐based sensors are attractive  because  they  do  not  require  cell‐invasive  procedures,  their  concentration  can  be  tightly  controlled  and  they  can  be  targeted  to  different  locations  in  the  cell.  One  important  breakthrough that allowed generation of genetically encoded sensors was the discovery and  subsequent  development  of  green  fluorescent  protein  (GFP)139‐141,  for  which  Osamu  Shimomura,  Martin  Chalfie  and  Roger  Tsien  received  the  Nobel  prize  in  2008.  GFP  is  a  27  kDa protein with a so‐called ‐barrel structure that consists of 11 ‐strands (Figure 7A)142. Its  fluorescent  properties  arise  from  a  spontaneous  autocyclization  of  the  serine,  tyrosine  and  glycine  at  positions  65,  66  and  67  to  result  in  a  chromophore  (Figure  7B)  that  emits  green  fluorescent  light  at  509  nm  after  excitation  at  either  395  or  475  nm143.  Since  its  discovery,  many mutant variants of GFP have been generated, resulting in a color palette of fluorescent  proteins displaying fluorescence from the blue to the red range and showing improvements  in e.g. brightness, maturation time or photostability144.   A B N N O R2 O H R1 A B N N O R2 O H R1   Figure 7: (A) Crystal structure of GFP. (B) Structure of the chromophore of GFP.   

The  primary  use  of  GFP  and  its  variants  has  been  in  protein  localization  studies  by  using it as a genetically encoded fluorescent tag. The group of Roger Tsien pioneered the use 

(23)

 

18

of fluorescent proteins (FP’s) to create protein‐based sensors in which Ca2+ binding induces a  change in fluorescence145,146. Two types ofprotein‐based fluorescent sensors using FP variants  can be distinguished. In the first category, the fluorescence of a single fluorescent protein is  made  sensitive  to  binding  of  a  specific  ligand.  One  way  to  achieve  this  is  by  introducing  mutations in close proximity of the chromophore that lead to a change in fluorescence upon  ligand binding. A second approach involves destabilization of the ‐barrel via insertion of a  ligand binding domain. Ligand binding stabilizes the barrel structure, thereby changing the  fluorescence intensity and/or wavelength. This way, Tsien et al. were able to create multiple  Ca2+  sensors  by  inserting  the  Ca2+  binding  domain  calmodulin  in  various  variants  of  GFP  such  as  enhanced  yellow  fluorescent  protein  (EYFP)147.  Since  then,  several  protein‐based  sensors based on a single fluorescent domain have been developed, e.g. to image hydrogen  peroxide148 or the intracellular ratio of ADP to ATP149. A more modular protein‐based sensor  was made possible by the availability of different color variants of GFP, as this allowed the  development of biosensors that use fluorescence resonance energy transfer (FRET). FRET is a  process  that  can  occur  between  two  fluorophores  that  have  overlap  between  the  emission  spectrum  of  the  first  fluorophore  (donor)  and  the  absorption  spectrum  of  the  second  fluorophore  (acceptor).  If  the  acceptor  fluorophore  is  close  to  the  donor  fluorophore,  excitation  of  the  latter  can  lead  to  non‐radiative  transfer  of  energy  to  the  acceptor  fluorophore as a result of long range dipole‐dipole interactions150. The rate of energy transfer  kT(r) from a donor to an acceptor is given by   6 0 1 ) (        r R r k D T

      (1)  where D is the decay time of the donor in absence of the acceptor, r is the donor to acceptor  distance and R0 is the Förster distance, The efficiency of this energy transfer E is the fraction  of photons absorbed by the donor that are transferred to the acceptor, as given by  T T

k

k

E

D

1

      (2)  which represents the ratio of the transfer rate to the total decay rate of the donor in presence  of the acceptor. Using equation (1), equation (2) can be rearranged to yield the widely known  Förster equation: 

(24)

  19 6 6 0 6 0

r

R

R

E

      (3) 

Equation  (3)  shows  that  the  efficiency  of  energy  transfer  is  strongly  dependent  on  the  distance  between  the  donor  and  acceptor  and  also  that  the  efficiency  is  50%  if  r  equals  R0.  Besides  the  distance,  equation  3  also  shows  that  the  spectral  overlap  is  dependent  on  R0

which can be calculated using  6 / 1 2 0

0

.

211

[

nQ

J

(

)]

R

D       (4) 

in  which  QD  is  the  quantum  yield  of  the  donor,  n  is  the  refractive  index  of  the  medium  (typically set at 1.4 for biomolecules in aqueous media), J() is the spectral overlap integral 

between  the  emission  spectrum  of  the  donor  and  the  absorption  spectrum  of  the  acceptor,  expressed  in  M‐1  cm‐1  nm4  (Figure  8A). 2  is  the  orientational  factor  describing  the  relative 

orientation  of  the  transition  dipole  moments.  When  the  fluorophores  can  rotate  freely  in  solution, 2 averages out to 2/3, but for fixed conformations 2 can be calculated via 

2

2

(cos

3

cos

cos

)

A D T

      (5)  or  2 2

(sin

sin

cos

2

cos

cos

)

A D A D

      (6)  In equations (5) and (6), θT is the angle between the emission transition dipole of the donor 

and the transition absorption dipole of the acceptor, θD and θA are the angles between these 

dipoles and the vector joining the donor and acceptor, and φ is the angle between the planes  (Figure  8B).  Values  for 2  can  vary  between  0  and  4,  depending  on  the  orientation  of  the 

dipoles. Head‐to‐tail parallel transition dipoles result in a 2 value of 4 and parallel dipoles 

(25)

  20 D A θA θD θT φ

κ

2

= 4

κ

2

= 1

κ

2

= 0

A

B

CFP YFP Donor-Acceptor Spectral Overlap Region absorption spectra emission spectra Fl uo re sc enc e I n te nsi ty 400 450 500 550 Wavelength (nm) D A θA θD θT φ

κ

2

= 4

κ

2

= 1

κ

2

= 0

A

B

CFP YFP Donor-Acceptor Spectral Overlap Region absorption spectra emission spectra Fl uo re sc enc e I n te nsi ty 400 450 500 550 Wavelength (nm) Figure 8: (A) Fluorescence spectra showing the absorption and emission spectra of cyan and yellow 

fluorescent  protein  (CFP  and  YFP,  respectively).  The  area  filled  in  grey  shows  the  spectral  overlap 

between  CFP  emission  and  YFP  absorption.  (B)  Dependence  of  the  orientational  factor  κ2  on  the 

direction of the emission dipole of the donor and the absorption dipole of the acceptor. Adapted from150.  

 

Genetically  encoded  sensors  based  on  FRET  typically  consist  of  a  ligand  binding  domain that is flanked by a donor and acceptor fluorescent protein. The advantage of a FRET  sensor over sensors using a single fluorescent domain is that the emission ratio of the donor  and  acceptor  fluorophore  generates  an  output  that  is  independent  of  the  sensor  concentration.  The  most  commonly  used  FRET  pair  is  cyan  fluorescent  protein  in  combination  with  yellow  fluorescent  protein  (CFP  and  YFP,  respectively),  but  reports  of  other  combinations  also  exist144.  The  first  genetically  encoded  FRET  sensor  was  created  by  flanking  calmodulin  and  an  M13  peptide  by  CFP  and  YFP  and  used  to  detect  intracellular  changes in Ca2+ levels146. Since then, many other genetically encoded FRET sensors have been  developed,  allowing  intracellular  detection  of  e.g.  ATP151,  glucose152,  estrogen153  and  protein  phosphorylation154.  

 

Protein‐based Zn

2+

 sensors using a single domain 

Compared  to  Ca2+  signaling,  where  cytosolic  Ca2+  levels  are  in  the  range  of  10‐7‐10‐6  M155,  Zn2+  is  present  at  much  lower  free  concentrations.  These  low  concentrations  put  additional  constrains  on  the  design  of  Zn2+  sensor  proteins  in  terms  of  metal  affinity  and  specificity. Sensor proteins need to effectively compete with other high affinity Zn2+ binders 

(26)

 

21

in the cell such as metallothioneins and bind Zn2+ in the presence of a large excess of metal  ions  such  as  Ca2+  and  Mg2+.  Furthermore,  since  the  sensor  concentration  will  be  orders  of  magnitude  higher  than  the  free  metal  concentration,  potential  disturbance  of  Zn2+  homeostasis by the sensor protein needs to be considered. 

One approach to obtain metal responsive fluorescent proteins is to reengineer a single  GFP domain such that the chromophore becomes sensitive to metal ion binding. Barondeau 

et  al.  reported  a  variant  of  GFP  in  which  the  tyrosine  that  is  part  of  the  chromophore  was 

replaced  by  a  metal‐coordinating  histidine  (Y66H)156.  Upon  creation  of  additional  space  for  metal binding near the chromophore, a sensor (BFPms1) was obtained that showed a 2‐fold  increase  in  fluorescence  in  the  presence  of  μM  concentrations  of  Zn2+.  However,  the  same  protein bound Cu2+ with similar affinity, resulting in quenching of fluorescence. A different  approach  to  affect  the  fluorescent  properties  of  GFP  is  to  make  use  of  circularly  permuted  variants  of  GFP  that  are  sensitive  to  ligand  induced  folding  in  an  adjacent  metal  binding  domain. Mizuno et al. used this strategy to construct 191cpGFP190‐IZ‐H, a circularly permuted  GFP variant in which Zn2+ binding induces the formation of a coiled coil and a concomitant  increase  in  GFP  emission157.  This  sensor  showed  an  affinity  of  570  nM  for  zinc,  but  unfortunately binding of Cu2+ and Ni2+ resulted in a similar increase in fluorescence (Kd = 60  nM  and  130  nM,  respectively).  The  major  drawback  of  these  sensor  designs,  besides  their  current  lack  of  metal  specificity,  is  that  they  are  intensity‐based.  This  makes  them  less  suitable  for  quantitative  intracellular  applications,  where  fluorescence  intensity  will  also  depend on sensor expression levels and can be affected by photobleaching. 

 

FRET‐based Zn

2+

 sensors 

In our lab, FRET‐based Zn2+ sensors with intrinsically large changes in emission ratio  have  been  developed  by  simply  tethering  ECFP  and  EYFP  via  a  flexible  peptide  linker,  followed by introduction of Zn2+ coordinating amino acids (Ser208Cys and Tyr39His) directly  at  the  surface  of  both  fluorescent  domains158,159.  The  sensor  thus  created,  ZinCh‐9,  acts  as  a  large macromolecular Zn2+ chelator that displays a 4‐fold increase in emission ratio upon Zn2+  binding. The presence of these two de novo Zn2+ binding sites results in a biphasic response 

(27)

 

22

and sensitivity over a large range of Zn2+ concentrations between 20 nM and 500 M (Figure  9).  In a  similar  approach,  a sensor was  developed  by  incorporation  of  His‐tag  sequences  at  the N‐ and C‐termini of an ECFP‐linker‐EYFP fusion protein. This sensor, CLY9‐2His showed  a Zn2+ affinity comparable with ZinCh‐9 (Kd of 47 nM), albeit with a smaller, 1.6‐fold increase  in emission ratio160.   Kd~ 10-7 M Zn2+ Zn2+ Kd~ 10-4 M

A

B

C

Kd~ 10-7 M Zn2+ Zn2+ Kd~ 10-4 M

A

B

C

  Figure 9: (A) Design of the Zn2+‐chelating ECFP‐EYFP chimera ZinCh‐9, consisting of ECFP fused 

to EYFP by a flexible (GGSGGS)9‐linker. Introduction of Zn2+ coordinating residues using Y39H and 

S208C mutations at the surface of both fluorescent domains resulted in biphasic Zn2+ binding, yielding 

a  4‐fold  increase  in  emission  ratio.  (B)  Emission  spectra  in  absence  (solid  line)  and  presence  (dotted 

line)  of  0.7  mM  Zn2+.  (C)  The  EYFP/ECFP  emission  ratio,  as  a  function  of  the  Zn2+  concentration 

shows a biphasic response that allows Zn2+ detection between 10 nM and 1 mM. Picture obtained from 

159

 

Although  ZinCh‐9  and  CLY9‐2His  show  substantial  ratiometric  changes  and  specificity  over  other  biologically  relevant  metal  ions,  their  moderate  affinities  probably  restrict  their  use  to  intracellular  compartments  that  are  rich  in  Zn2+.  Several  groups  have  therefore developed FRET sensors based on native metal binding proteins that have affinities  more  compatible  with  intracellular  Zn2+  levels.  Interestingly,  the  highest  affinity  sensor,  displaying a Kd for Zn2+ of 170 fM at pH 7.5, was created by van Dongen and coworkers using 

(28)

 

23

metal  binding  domains  derived  from  proteins  (ATOX1  and  WD4)  involved  in  copper  homeostasis161. The ECFP‐ATOX1‐Linker‐WD4‐EYFP (CALWY) sensors using these domains  were designed to detect Cu+, but the total of four cysteine residues at the metal binding site  also provided an excellent tetrahedral Zn2+ binding site with femtomolar affinity (Figure 10).  Unfortunately,  the  sensor  suffered  from  a  small  change  in  energy  transfer  efficiency  upon  zinc binding that challenged intracellular use162.   -15 -14 -13 -12 -11 0.80 0.85 0.90 0.95 log [free Zn2+], (M) R a ti o ( EYF P /EC F P ) A B -15 -14 -13 -12 -11 0.80 0.85 0.90 0.95 log [free Zn2+], (M) R a ti o ( EYF P /EC F P ) A B   Figure  10:  (A)  FRET‐based  Zn2+  sensor  proteins  consisting  of  ECFP,  ATOX1,  a  flexible  peptide 

linker  consisting  of  9  GGSGGS  repeats,  WD4,  and  EYFP.  Binding  of  Zn2+  to  Atox1  and  WD4 

resulted  in  a  decrease  in  energy  transfer.  (B)  Zn2+  titration  for  ECFP‐ATOX1‐linker‐WD4‐EYFP. 

Titrations were done in 50 mM Tris, 100 mM NaCl, 1 mM DTT, and 10% glycerol (pH 7.5) using 

EDTA and HEDTA as buffering systems. Data could be fit using a 1:1 binding model, yielding a Kd 

for Zn2+ of 140 fM. 

 

Pearce  et  al.  reported  a  sensor  based  on  human  metallothionein  IIa  (hMTIIa),  which  was flanked by ECFP and EYFP163. This sensor was developed to study nitric oxide induced  metal‐release  from  MT,  however,  and  the  zinc  affinity  and  specificity  were  not  thoroughly  characterized.  Metallothioneins  are  probably  not  the  optimal  Zn2+  binding  domains  for  sensor applications, as they also bind Cu+ and other TMs with high affinity. Thompson and  coworkers  have  extensively  explored  fluorescent  sensors  based  on  carbonic  anhydrase  CA164,165,  an  enzyme  that  contains  a  single  Zn2+  binding  site  with  pM  zinc  affinity  and  high  specificity  over  other  metal  ions.  A  series  of  adaptations  to  CA  allowed  its  use  as  a  fluorescent biosensor based on FRET from a zinc‐bound aryl sulfonamide to an Alexa Fluor  594  that  is  covalently  coupled  to  the  protein  (Figure  11).  Because  the  use  of  a  synthetic 

(29)

 

24

fluorescent  label  prevents  intracellular  expression  of  the  sensor,  a  transactivator  of  transcription (TAT) peptide was attached that permitted uptake of the sensor protein in the  cytosol of PC‐12 cells. No changes in emission ratio could be induced using either excess Zn2+  or strong Zn2+ chelators, preventing accurate calibration of the sensor in situ. The value of 5  pM for the free Zn2+ concentration that was reported in this study should therefore be treated  with  some  care,  even  more  so  because  this  value  is  at  the  lower  detection  limit  of  the  CA‐ sensor (Kd = 70‐130 pM). 

  Figure 11: Schematic representation of a carbonic anhydrase‐based Zn2+ sensor. In the absence of Zn2+

the  free  fluorescent  donor  dapoxyl  sulfonamide  exhibits  weak  fluorescence  emission  at  600  nm  (F  <  0.01). Upon binding of zinc to carbonic anhydrase (CA), a heteromeric complex is formed between CA, 

Zn2+,  and  the  dapoxyl  sulfonamide  donor  moiety.  Binding  of  zinc  to  dapoxyl  sulfonamide  leads  to  a 

dramatic  increase  and  a  blue  shift  in  the  fluorescence  emission,  resulting  in  fluorescence  resonance  energy  transfer  (FRET)  from  the  dapoxyl  donor  to  the  AlexaFluor  594  acceptor  dye  and  high 

fluorescence emission at 617 nm. Adapted from 164

 

Two groups have reported the use of zinc finger (ZF) domains to generate fluorescent  Zn2+ sensors. In an elegant study, Qiao et al. created two sensors by fusing ECFP and EYFP to  ZF1/ZF2 or ZF3/ZF4, two pairs of zinc finger domains from the yeast transcriptional activator  Zap1  that  have  nanomolar  affinities  for  Zn2+  166.  Both  sensors  could  be  used  to  study  the  kinetics  of  Zn2+  binding  and  release  in  suspension  of  yeast  cells,  showing  a  1.3‐fold  ratiometric change upon Zn2+ binding. This study did not include experiments at the single  cell level and conversion of the emission ratio into a free Zn2+ concentration was not reported.  In a more recent example, Dittmer et al. developed similar FRET sensors using a single zinc 

(30)

 

25

finger  domain  derived  from  Zif268  and  used  them  to  detect  changes  in  cytosolic  and  mitochondrial  zinc  levels  in  single  mammalian  cells167.  Subcellular  targeting  to  the  mitochrondria  and  the  extracellular  membrane  was  achieved  by  attachment  of  specific  targeting sequences and release of zinc from mitochrondria was observed upon stimulation  with  glutamate.  Although  a  large  2‐4‐fold  ratiometric  change  was  observed  upon  zinc  binding  in  vitro,  the  intracellular  changes  were  significantly  smaller  (~0.25).  Furthermore,  while the original Zif268 domain contained a site with nanomolar affinity (Kd = 10 nM), the  FRET sensors displayed surprisingly weak Zn2+ affinities of 1.7 M for Cys2His2 and 160 M  forHis4,  respectively,  which  made  reliable  determination  of  free  intracellular  metal  concentrations difficult.    Table 1: Properties of genetically encoded Zn2+ sensors.  Sensor name  Ref  (nr)  Metal binding  domain  Kd (M)a  Signal change  (fold)  Application in  cells  BFPms1  156  ‐  5∙10‐5 (pH 8.0)  ~ 2b  ‐  191cpGFP190 IZHH 

157  Peptide  5.7∙10‐7 (pH 6.8)  N.A.b  E. coli 

ZinCh‐9  159  De novo  2.1∙10‐7 (pH 8.0) 

5∙10‐5 (pH 8.0) 

~ 4  ‐ 

CLY9‐2HIS  160  His‐tag  4.7∙10‐8 (pH 8.0)  ~ 1.5  ‐ 

CALWY  162  Atox and WD4  1.4∙10‐13 (pH 7.5)  ~1.15  ‐ 

FRET‐MT  163  Metallothionein  N.A  ~ 1.6  Endothelial cells 

CA‐based  164  Carbonic Anhydrase  7∙10‐11 (pH 7.5)  ~ 1.6  PC‐12 cells; CHO‐

cells  ZF1/ZF2c    166  ZAP1  2∙10‐10 (pH 7.5)  4∙10‐9 (pH 7.5)  ~ 1.3  ZF3/ZF4c  166  ZAP1  2∙10‐10 (pH 7.5)  4∙10‐9 (pH 7.5)  ~ 1.3    S. cerevisiae  (suspension)  Cys2His2    167  Zif268  1.7∙10‐6 (pH 6.8)    ~ 2.2 (in vitro)  ~ 0.25 (in situ) 

His4  167  Zif268  1.6∙10‐4 (pH 6.8)  ~ 4 (in vitro) 

~ (0.25 (in situ)  Hippocampal  neurons; targeting  to mitochondria  and extracellular  membrane  a) The pH at which the Kd was determined is listed between brackets  b) Sensor is intensity‐based and thus the signal change indicates the increase in intensity.  c) ZF1/ZF2 and ZF3/ZF4 show similar affinities, but the Zn2+ binding and release kinetics of ZF3/ZF4 are  much slower, both in vitro and in situ.   

(31)

 

26

Aim and outline of this thesis 

Although  a  variety  of  synthetic  and  protein‐based  sensors  for  Zn2+  have  been  developed  (Table  1),  no  fluorescent  sensors  have  been  reported  that  were  able  to  reliably  measure the cytosolic free Zn2+ concentration. Development of such a sensor would not only  facilitate research on Zn2+ homeostasis, but it would also provide the first evidence that such  low  free  concentrations  of  transition  metals  can  be  measured  using  genetically  encoded  sensors.  Therefore,  the  primary  aim  of  the  work  described  in  this  thesis  was  to  develop  genetically encoded FRET sensors for Zn2+ that can report cytosolic free Zn2+ levels. 

As  a  starting  point,  two  existing  protein‐based  Zn2+  sensors  were  used.  The  first  existing sensor was ZinCh‐9, a protein‐based FRET sensor developed by Evers et al., which  was shown to give a large signal change upon Zn2+ binding, but also displayed a relatively  weak  affinity  of  210  nM159.  In  Chapter  2,  rational  attempts  to  improve  the  intracellular  imaging  properties  of  ZinCh‐9  are  described.  Unfortunately,  none  of  the  mutant  variants  containing a (Cys)4 metal binding site displayed an improved affinity for Zn2+. Cd2+ titrations  were  performed  to  test  whether  the  (Cys)4  pockets  were  too  large  for  Zn2+,  leading  to  the  serendipitous discovery of a Cd2+ sensor with 2500‐fold specificity for Cd2+ over Zn2+.  

The second Zn2+ sensor that we sought to improve was CALWY, a Zn2+ sensor with a  high,  femtomolar  Zn2+  affinity162.  However,  only  a  15%  change  in  emission  ratio  was  observed  upon  Zn2+  binding,  which  prevented  intracellular  application  of  this  sensor.  The  small signal change was caused by a distribution of conformations prior to Zn2+ binding that  reduced the average change in distance between the fluorophores upon binding of Zn2+. We  reasoned  that  by  promoting  complex  formation  between  the  fluorescent  domains  prior  to  Zn2+ binding to the metal binding domains, we could greatly enhance the signal change upon  addition  of  Zn2+.  By  using  an  ECFP‐linker‐EYFP  protein  as  a  model  system,  we  discovered  that introduction of hydrophobic mutations S208F and V224L at the dimerization interface of  ECFP  and  EYFP  was  sufficient  to  promote  complex  formation  (Chapter  3).  Therefore,  the  S208F and V224L mutations were used in Chapter 4 to improve the ratiometric change upon  Zn2+  binding  of  CALWY,  creating  enhanced  CALWY‐1  (eCALWY‐1).  In  addition,  we  systematically attenuated the affinity of eCALWY and used the resulting toolbox of sensors 

(32)

 

27

to  determine  the  cytosolic  free  zinc  concentration  in  HEK293  cells.  Chapter  5  describes  further  application  of  the  eCALWY  sensors  in  pancreatic  ‐cells,  in  which  Zn2+  plays  an  important  role  in  the  storage  and  secretion  of  insulin.  Zinc  levels  were  monitored  in  the  cytosol of ‐cells, both in resting cells and during insulin secretion. In addition, the sensors  were also targeted to insulin‐containing granules of these cells, where zinc levels were found  to be orders of magnitude higher than in the cytosol. 

The  insights  gained  from  rationally  designing  and  improving  protein‐based  Zn2+  sensors  could  also  be  used  to  develop  a  sensor  for  Mg2+,  a  metal  ion  that  is  much  more  abundant in the cell. Despite the abundance of Ca2+ probes, no sensors exist that can be used  to  specifically  measure  intracellular  Mg2+  levels.  In  Chapter  6,  we  used  two  approaches  to  develop  FRET  based  sensors  for  Mg2+.  The  first  approach  involved  introduction  of  Mg2+  binding  residues  at  the  dimerization  interface  of  improved  variants  of  ECFP  and  EYFP  to  create  a  macromolecular  Mg2+  chelator.  However,  none  of  the  created  mutant  variants  showed complex formation of the fluorescent domains upon addition of Mg2+. In the second  approach, a native Mg2+ binding domain was flanked with improved  variants of ECFP and  EYFP,  resembling  a  more  classical  FRET  sensor  design.  Both  designs  that  were  created  via  the  second  approach  were  able  to  detect  intracellular  changes  in  Mg2+  levels  and  showed  specificity for Mg2+ over Ca2+, even during signaling. Chapter 7 contains a general discussion  regarding  the  imaging  of  transition  metal  homeostasis  and  provides  some  strategies  to  optimize the ratiometric change of FRET sensors using ‘sticky’ fluorescent proteins.    

References

  1.  Bush, A.I., Trends Neurosci. 26 (4), 207‐214 (2003).  2.  Strausak, D. et al., Brain Res. Bull. 55 (2), 175‐185 (2001).  3.  Rolfs, A. and Hediger, M.A., J. Physiol. (Lond.) 518, 1‐12 (1999).  4.  Finney, L.A. and OʹHalloran, T.V., Science 300 (5621), 931‐936 (2003).  5.  Nelson, N., EMBO J. 18 (16), 4361‐4371 (1999).  6.  Kozlowski, H. et al., Coord. Chem. Rev. 253 (21‐22), 2665‐2685 (2009).  7.  Maret, W., Jacob, C., Vallee, B.L., and Fischer, E.H., Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 96 (5), 1936‐ 1940 (1999).  8.  Maret, W. and Li, Y., Chem. Rev. 109 (10), 4682‐4707 (2009).  9.  Luk, E., Jensen, L.T., and Culotta, V.C., J. Biol. Inorg. Chem. 8 (8), 803‐809 (2003).  10.  Theil, E.C. and Goss, D.J., Chem. Rev. 109 (10), 4568‐4579 (2009). 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Based on the data on the accessions of Latvia and Poland, Macedonia is expected to see an increase in GDP/GDP per capita, a decrease in the current account balance, constant

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of

0 transition of formaldehyde with the ABO set indicates that this molecule belongs to the so-called resonance case; this means that an excited state level couples with so few levels

The schemes of updating and downdating form in combination with this downsizing method a fast dominant eigenspace tracker algorithm that needs per step only O(nm 2 ) operations

A comparison is drawn between the abundances from these metal-rich DLAs with literature samples encompassing the largest compilation of high resolution observations of other DLAs,

Comparison of quenching efficiencies of various dye-quencher pairs for the design of an optimal ‘’activatable’’ nanoprobe for optical imaging.. van Veggel 3 and Abedelnasser

The chitin binding domain (CBD) allows single-step purification of the fusion protein from the periplasm, whereafter on-column treatment with MESNA results in

Voor dit muu rt je gebruikte ik niet aileen de stenen maar ook het zand van de kleine hoop en wat leem van het a kker ­ t je.. De top is ongeveer 50 ern breed en hier is