GCaMPเป็นตัวบ่งชี้แคลเซียม ที่เข้ารหัสทางพันธุกรรม (GECI) ซึ่งพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี 2544 โดย Junichi Nakai ^{[ 1 ]}เป็นการสังเคราะห์แบบผสมผสานของโปรตีนเรืองแสงสีเขียว (GFP), แคลโมดูลิน (CaM) และ M13 ซึ่งเป็น ลำดับ เปปไทด์จากไมโอซินไลท์เชนไคเนส [ ^{2 ] เมื่อ}จับกับCa ²⁺แล้ว GCaMP จะเรืองแสงสีเขียว โดยมีความยาวคลื่นกระตุ้นสูงสุดที่ 480 นาโนเมตร และความยาวคลื่นการปล่อยสูงสุดที่ 510 นาโนเมตร^{[ 3 ]}มีการใช้ในการวิจัยทางชีววิทยาเพื่อวัดระดับ Ca ^{2+ ภายในเซลล์ทั้ง} ในหลอดทดลองและในร่างกายโดยใช้เซลล์และสัตว์ ที่ ได้รับการถ่ายทอดทางพันธุกรรม หรือ เซลล์ ดัดแปลงพันธุกรรม^{[ 2 ] [ 4 ]}ลำดับทางพันธุกรรมที่เข้ารหัส GCaMP สามารถแทรกได้ภายใต้การควบคุมของโปรโมเตอร์เฉพาะสำหรับเซลล์บางประเภท ทำให้สามารถแสดงออก GCaMP ได้อย่างจำเพาะเจาะจงกับเซลล์แต่ละประเภท^{[ 5 ]}เนื่องจาก Ca ²⁺เป็นตัวส่งสัญญาณรองที่มีส่วนร่วมในกลไกของเซลล์และเส้นทางการส่งสัญญาณ หลายอย่าง GCaMP จึงช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดปริมาณกิจกรรมของกลไกที่ใช้ Ca ²⁺และศึกษาบทบาทของไอออน Ca ²⁺ในกระบวนการทางชีวภาพที่น่าสนใจได้

GCaMP ประกอบด้วยโดเมนหลักสามโดเมน ได้แก่ โดเมน M13 ที่ปลายN-terminusโดเมน calmodulin (CaM) ที่ปลายC-terminusและโดเมน GFP ตรงกลาง โดเมน GFP ถูกสลับตำแหน่งแบบวงกลมโดยที่ปลาย N-terminus และ C-terminus ดั้งเดิมจะเชื่อมต่อกันด้วย ลำดับการเชื่อมต่อ กรดอะมิโน หกตัว และลำดับ GFP จะถูกแยกออกตรงกลาง ทำให้เกิดปลาย N-terminus และ C-terminus ใหม่ที่เชื่อมต่อกับโดเมน M13 และ CaM ^{[ 6 ]}

ในกรณีที่ไม่มี Ca ²⁺ โครโมฟอร์ GFP จะสัมผัสกับน้ำและอยู่ในสถานะโปรตอนที่มีความเข้มของการเรืองแสงน้อยที่สุด เมื่อมีการจับกับ Ca ²⁺โดเมน CaM จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและจับกับอัลฟาเฮลิกซ์ ของโดเมน M13 อย่างแน่นหนา ป้องกันไม่ให้โมเลกุลของน้ำเข้าถึงโครโมฟอร์ ส่งผลให้โครโมฟอร์สูญเสียโปรตอนอย่างรวดเร็วและเปลี่ยนเป็นรูปแบบแอนไอออนิกที่เรืองแสงสว่างคล้ายกับ GFP ดั้งเดิม^{[ 7 ]}

ในปี พ.ศ. 2544 Nakai และคณะได้รายงานการพัฒนา GCaMP1 เป็นโพรบ Ca ²⁺ที่มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับ โพรบCa ^{2+ เรืองแสงที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ [ 1 ]}หนูทรานส์เจนิกตัวแรกที่แสดงออก GCaMP1 ได้รับการรายงานในปี พ.ศ. 2547 ^{[ 5 ]}อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิ 37 ˚C (อุณหภูมิทางสรีรวิทยาในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) GCaMP1 ไม่พับตัวอย่างเสถียรหรือเรืองแสง ทำให้ศักยภาพในการใช้งานเป็นตัวบ่งชี้แคลเซียมในร่างกาย มีข้อจำกัด ^{[ 1 ] [ 8 ]}

ในปี พ.ศ. 2549 Tallini และคณะได้รายงานการปรับปรุง GCaMP1 เป็น GCaMP2 ซึ่งแสดงการเรืองแสงที่สว่างกว่า GCaMP1 และมีความเสถียรมากกว่าที่ อุณหภูมิร่างกาย ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วย นม Tallini และคณะได้แสดงออก GCaMP2 ในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจในตัวอ่อนของหนูเพื่อทำการ ถ่ายภาพ GCaMP ในร่างกายของ Ca ²⁺ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เป็นครั้งแรก ^{[ 8 ]}

มีการพัฒนาการดัดแปลง GCaMP เพิ่มเติม ได้แก่ GCaMP3, GCaMP5, GCaMP6 และ jGCaMP7 เพื่อปรับปรุงสัญญาณความไวและช่วงไดนามิก ของ การตรวจจับCa ^{2+ อย่างต่อเนื่อง [ 2 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}โดยเวอร์ชันล่าสุดแสดงการเรืองแสงคล้ายกับ GFP ดั้งเดิม^{[ 11 ]}

ทั้งรูปแบบช้า (GCaMP6s, jGCaMP7s) และรูปแบบเร็ว (GCaMP6f, jGCaMP7f) ถูกนำมาใช้ในการวิจัยทางชีววิทยาและประสาทวิทยาศาสตร์รูปแบบช้าจะสว่างกว่าและไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของระดับ Ca ²⁺เช่นศักยภาพการกระทำ เดี่ยว ในทางกลับกัน รูปแบบเร็วมีความไวน้อยกว่า แต่ตอบสนองได้เร็วกว่า ทำให้มีประโยชน์สำหรับการติดตามการเปลี่ยนแปลงของระดับ Ca ²⁺ในช่วงเวลาที่แม่นยำ^{[ 12 ] [ 13 ]} GCaMP6 ยังมีรูปแบบปานกลาง GCaMP6m ซึ่งมีจลนศาสตร์อยู่ระหว่าง GCaMP6s และ GCaMP6f ^{[ 12 ]}รูปแบบอื่นๆ ของ jGCaMP7 ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน: jGCaMP7b แสดงการเรืองแสงพื้นฐานที่สว่างและใช้สำหรับการถ่ายภาพเดนไดรต์และแอกซอนในขณะที่ jGCaMP7c แสดงความแตกต่างระหว่างการเรืองแสงสูงสุดและการเรืองแสงพื้นฐานที่มากขึ้น และมีข้อได้เปรียบสำหรับการถ่ายภาพประชากรเซลล์ประสาทจำนวนมาก^{[ 12 ]}

ในปี 2018 Yang และคณะได้รายงานการพัฒนา GCaMP-X ซึ่งสร้างขึ้นโดยการเพิ่มโมทีฟที่จับกับแคลโมดูลิน เนื่องจากโดเมนแคลโมดูลินของ GCaMP เมื่อไม่จับกับแคลโมดูลิน จะขัดขวางการเปิดปิดช่องแคลเซียมชนิด Lโมทีฟที่จับกับแคลโมดูลินที่เพิ่มเข้ามาจึงป้องกันไม่ให้ GCaMP-X เข้าไปรบกวนกลไกการส่งสัญญาณที่ขึ้นอยู่กับแคลเซียม^{[ 14 ]}

ในปี 2020 Zhang และคณะได้รายงานการพัฒนา jGCaMP8 ซึ่งรวมถึงตัวแปรที่ไวต่อสิ่งเร้า ปานกลาง และเร็ว ซึ่งแสดงให้เห็นจลนศาสตร์ที่เร็วกว่าและความไวที่มากกว่าตัวแปร jGCaMP7 ที่เกี่ยวข้อง^{[ 15 ]}

ตัวบ่งชี้เรืองแสงสีแดงได้รับการพัฒนาขึ้นเช่นกัน: jRCaMP1a และ jRCaMP1b ใช้การเรียงลำดับแบบวงกลมของโปรตีนเรืองแสงสีแดง mRuby แทน GFP ในขณะที่ jRGECO1a ใช้โปรตีนเรืองแสงสีแดง mApple เป็นพื้นฐาน^{[ 12 ] [ 16 ]}เนื่องจากแสงสีน้ำเงินที่ใช้กระตุ้น GCaMP จะถูกกระจายโดยเนื้อเยื่อ และแสงสีเขียวที่ปล่อยออกมาจะถูกดูดซับโดยเลือด ตัวบ่งชี้เรืองแสงสีแดงจึงให้การทะลุทะลวงและความลึกในการถ่ายภาพในร่างกาย ได้ มากกว่า GCaMP การใช้ตัวบ่งชี้เรืองแสงสีแดงยังช่วยหลีกเลี่ยงความเสียหายจากแสงที่เกิดจากแสงกระตุ้นสีน้ำเงิน^{[ 16 ]}ยิ่งไปกว่านั้น ตัวบ่งชี้เรืองแสงสีแดงยังช่วยให้สามารถใช้ออปโตเจเนติกส์ พร้อมกันได้ ซึ่งทำได้ยากกับ GCaMP เนื่องจากความยาวคลื่นการกระตุ้นของ GCaMP ทับซ้อนกับความยาวคลื่นของแชนเนลโรดอปซิน-2 (ChR2) ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}การใช้ GECI สีแดงและสีเขียวพร้อมกันสามารถให้การมองเห็นสองสีของบริเวณย่อยของเซลล์หรือประชากรเซลล์ที่แตกต่างกันได้^{[ 16 ] [ 17 ] [ 19 ]}

ในเซลล์ประสาท ศักยภาพการกระทำจะกระตุ้นการปล่อยสารสื่อประสาทที่ปลายแอกซอนโดยการเปิดช่อง Ca ²⁺ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าทำให้เกิดการไหลเข้าของ Ca ²⁺ดังนั้น GCaMP จึงมักใช้ในการวัดการเพิ่มขึ้นของ Ca ²⁺ ภายในเซลล์ ในเซลล์ประสาทเพื่อใช้เป็นตัวบ่งชี้กิจกรรมของเซลล์ประสาทในแบบจำลองสัตว์หลายชนิด รวมถึงCaenorhabditis elegans , ปลาซีบราฟิช , แมลงหวี่ , หนูและหนูทดลอง^{[ 20 ]}เมื่อเร็ว ๆ นี้ตัวบ่งชี้แรงดันไฟฟ้าที่เข้ารหัสทางพันธุกรรม (GEVIs) ได้รับการพัฒนาควบคู่ไปกับ GECIs เพื่อตรวจสอบกิจกรรมของเซลล์ประสาทในระดับเซลล์ในแบบจำลองสัตว์เหล่านี้โดยตรงมากขึ้น^{[ 21 ]}

GCaMP มีบทบาทสำคัญในการสร้างการบันทึกการทำงานของระบบประสาทขนาดใหญ่ในสัตว์เพื่อศึกษาว่ารูปแบบกิจกรรมในเครือข่ายประสาทมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมอย่างไร ตัวอย่างเช่น Nguyen et al. (2016) ใช้ GCaMP ในการถ่ายภาพสมองทั้งหมดระหว่างการเคลื่อนไหวอย่างอิสระของC. elegansเพื่อระบุเซลล์ประสาทและกลุ่มเซลล์ประสาทที่มีกิจกรรมสัมพันธ์กับพฤติกรรมการเคลื่อนไหวเฉพาะ^{[ 22 ]}

Muto et al. (2003) แสดงออก GCaMP ในตัวอ่อนปลาซีบราฟิชเพื่อวัดและทำแผนที่กิจกรรมที่ประสานกันของเซลล์ ประสาทสั่งการไขสันหลัง ไปยังส่วนต่างๆ ของสมองในระหว่างการเริ่มต้น การแพร่กระจาย และการฟื้นตัวของอาการชักที่เกิดจากเพนทิลีนเตตราซอล [ ^{23 ] การ}แสดงออกของ GCaMP ในสมองปลาซีบราฟิชยังถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการกระตุ้นวงจรประสาทในกระบวนการทางปัญญา เช่น การจับเหยื่อ การควบคุมแรงกระตุ้น และความสนใจ^{[ 24 ] [ 25 ]}

นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้ GCaMP เพื่อสังเกตกิจกรรมของเซลล์ประสาทในหนูโดยการแสดงออกภายใต้การควบคุมของ โปรโมเตอร์ Thy1ซึ่งพบในเซลล์ประสาทพีระมิดที่ กระตุ้น ^{[ 26 ]}ตัวอย่างเช่น การรวมเซลล์ประสาทเข้าเป็นวงจรในระหว่างการเรียนรู้การเคลื่อนไหวได้รับการติดตามโดยใช้ GCaMP เพื่อสังเกตรูปแบบการผันผวนที่ซิงโครไนซ์ในระดับ Ca ^{2+ [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} GCaMP ยังถูกใช้เพื่อสังเกตพลวัตของ Ca ²⁺ในส่วนประกอบย่อยของเซลล์ประสาทของหนู: Cichon และ Gan (2015) ใช้ GCaMP เพื่อแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทในคอร์เทกซ์มอเตอร์ ของหนู แสดงการเพิ่มขึ้นของ Ca 2+ ที่ขับเคลื่อนโดย^NMDA ซึ่งเป็นอิสระสำหรับเดนไดรต์สไปน์ แต่ละอัน ดังนั้นจึงแสดงให้เห็นว่าเดนไดรต์สไปน์แต่ละอันควบคุมความยืดหยุ่นของไซแนปส์ [ ^{30 ] สุดท้าย} GCaMP ถูกใช้เพื่อระบุรูปแบบกิจกรรมในบริเวณเฉพาะของสมองหนู ตัวอย่างเช่น Jones et al. (2018) ใช้ GCaMP6 ในหนูเพื่อวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทในนิวเคลียสซูพรา ไคแอสมาติก (SCN) ซึ่งเป็นตัวควบคุมจังหวะชีวภาพของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาท SCN ที่ผลิตวาโซแอคทีฟอินเทสติแนลเปปไทด์ (VIP) แสดงจังหวะกิจกรรมรายวันในร่างกายที่สัมพันธ์กับการปล่อย VIP ^{[ 31 ]}

GCaMP ยังถูกนำมาใช้ร่วมกับการวัดแสง ด้วยไฟเบอร์โฟโตเมตรี เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของ Ca ^{2+ ในระดับประชากรภายในกลุ่มย่อยของเซลล์ประสาทในสัตว์ที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระ [ 32 ]}ตัวอย่างเช่น Clarkson et al. (2017) ใช้วิธีนี้เพื่อแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทในนิวเคลียสโค้งของไฮโปทาลามัสจะซิงโครไนซ์กับการเพิ่มขึ้นของ Ca ²⁺ทันทีก่อนที่จะมีการกระตุ้นด้วยฮอร์โมนลูทีไนซิง (LH) ^{[ 33 ]}แม้ว่าการถ่ายภาพ GCaMP ร่วมกับการวัดแสงด้วยไฟเบอร์โฟโตเมตรีจะไม่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของระดับ Ca ²⁺ภายในเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ได้ แต่ก็ให้ความละเอียดเชิงเวลา ที่มากขึ้น สำหรับการเปลี่ยนแปลงในระดับใหญ่^{[ 34 ]}

กระแสCa ^{2+ ที่ไหลผ่าน} ช่องว่าง เชื่อมต่อของ เซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ เป็นตัวกลางในการหดตัวแบบซิงโครไนซ์ของเนื้อเยื่อหัวใจ ส่งผลให้การแสดงออกของ GCaMP ในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจทั้งในหลอดทดลองและในร่างกายถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการกระตุ้นและการหดตัวที่ขึ้นอยู่กับการไหลเข้าของ Ca ²⁺ในปลาซีบร้าและหนู^{[ 35 ]}ตัวอย่างเช่น Tallini et al. (2006) แสดงออก GCaMP2 ในตัวอ่อนหนูเพื่อแสดงให้เห็นว่าในวันที่ 10.5 ของตัวอ่อนการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในห้องหัวใจบนและล่างแต่ช้าในคลองเอทริโอเวนทริคูลาร์^{[ 8 ]} Chi et al. (2008) ใช้สายพันธุ์ปลาซีบร้า GCaMP เฉพาะหัวใจที่ดัดแปลงพันธุกรรมเพื่อสร้างภาพการกระตุ้นของเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจตลอดวงจรการเต้นของหัวใจ จากผลลัพธ์ของพวกเขา พวกเขาได้จำแนกลักษณะสี่ขั้นตอนการพัฒนาของระบบการนำไฟฟ้าของหัวใจปลาซีบร้าและระบุการกลายพันธุ์ ใหม่ 17 รายการ ที่ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของหัวใจ^{[ 36 ]}อย่างไรก็ตาม การแสดงออกของ GCaMP ที่ไม่สามารถควบคุมได้จะนำไปสู่ภาวะหัวใจโตเนื่องจากการแสดงออกของโมทีฟแคลโมดูลินมากเกินไป ซึ่งรบกวนการส่งสัญญาณแคลเซียมภายในเซลล์ ดังนั้น การทดลองโดยใช้เนื้อเยื่อหัวใจจึงควรควบคุมระดับการแสดงออกของ GCaMP อย่างระมัดระวัง^{[ 8 ]}

เนื่องจาก Ca ²⁺เป็นตัวส่งสัญญาณรองทั่วไป GCaMP จึงถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบการทำงานของเส้นทางการส่งสัญญาณ ตัวอย่างเช่น Bonder และ McCarthy (2014) ใช้ GCaMP เพื่อแสดงให้เห็นว่า การส่งสัญญาณ ของตัวรับG-protein coupled receptor (GPCR) ในเซลล์แอสโทรไซต์และการปล่อย Ca ²⁺ ในภายหลังนั้น ไม่ได้เป็นสาเหตุของการเชื่อมโยงระหว่างระบบประสาทและหลอดเลือด ซึ่งเป็นกระบวนการที่การเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมของเซลล์ประสาทนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการไหลเวียนของเลือดในบริเวณนั้น^{[ 37 ]}ในทำนองเดียวกัน Greer และ Bear et al. (2016) ใช้ GCaMP เพื่อระบุลักษณะพลวัตของการไหลเข้าของ Ca ²⁺ใน การส่งสัญญาณของเซลล์ประสาท รับ กลิ่นแบบสร้อยคอ ซึ่งใช้ โปรตีน MS4A แบบทรานส์ เมมเบรน เป็นตัวรับสารเคมี^{[ 38 ]}

• การถ่ายภาพแคลเซียม
• แคลเซียมในทางชีววิทยา
• แคลโมดูลิน
• แคเมเลียน (โปรตีน)
• โปรตีนเรืองแสงสีเขียว
• ไมโอซินไลท์เชนไคเนส