比较样品间线粒体膜电位可提供有关细胞状态的重要信息。本文详细描述了分离线粒体以及利用荧光法检测其对抑制剂和解偶联剂反应的实验步骤。通过细胞培养和细胞应激动物模型的应用,展示了该实验方案的方法学特点及其应用价值。
方法文章
比较样品间线粒体膜电位可提供有关细胞状态的重要信息。本文详细描述了分离线粒体以及利用荧光法检测其对抑制剂和解偶联剂反应的实验步骤。通过细胞培养和细胞应激动物模型的应用,展示了该实验方案的方法学特点及其应用价值。
为了确定细胞状态,有必要对两个或多个不同组别(如健康与疾病)进行比较。线粒体因其在细胞代谢、能量生成以及凋亡调控中的关键作用,处于细胞健康的核心地位。因此,直接评估分离得到的线粒体及其功能扰动情况,有助于判断是否存在细胞器特异性的功能异常。本实验方案中所述方法包括从HEK培养细胞以及小鼠肝脏和脊髓中分离完整且具有功能的线粒体,这些方法也可轻松适用于其他培养细胞或动物组织。通过TMRE检测线粒体功能,并结合使用常见的线粒体解偶联剂和抑制剂,配合荧光酶标仪进行分析,不仅使本方案具有良好的通用性并易于大多数研究实验室开展,还可实现高通量检测。
活细胞以脂肪和碳水化合物的形式储存代谢能量,并利用这些能量进行生物合成、膜转运和运动。部分能量通过糖酵解过程中将饮食中的糖类直接转化为ATP而在细胞质中获得。然而,细胞中ATP生成的主要来源是在线粒体内通过线粒体呼吸链实现的1。线粒体的结构为其高效、有效地生成ATP提供了必要的空间取向。线粒体具有双层膜结构,两层膜之间为膜间隙,与最内层的线粒体基质共同容纳了参与ATP生成的各种组分,并协调相关化学反应。内膜上含有多个膜结合蛋白复合物,构成呼吸链,同时还包含ATP合酶——这一蛋白复合物可将ADP和Pi结合生成ATP。内膜向内折叠形成嵴,电子通过细胞色素c(一种可溶性电子载体)在膜间隙中于各复合物之间传递,沿呼吸链逐级转移。随着电子的传递,还原当量被氧化,同时氢离子从基质被泵入膜间隙。由于膜间隙中离子浓度升高,形成跨线粒体内膜的电化学梯度,从而产生膜电位(∆ψ)2。氧气是电子传递链的最终电子受体,氢离子通过ATP合酶从膜间隙回流至基质,此过程直接驱动ATP的生成。上述整个过程被称为氧化磷酸化。嵴的折叠结构增加了内膜的表面积,使每个线粒体内部的电子传递和ATP生成达到最大化。参与氧化磷酸化的蛋白质、酶及其他分子由核基因和线粒体基因共同编码。线粒体含有自身的环状DNA,编码13种蛋白质以及ATP生成所必需的tRNA和mRNA3。然而,还需要更多的蛋白质,因此这些蛋白质由细胞核基因编码。大多数核编码的蛋白质通过前体蛋白N端的前序列被靶向输送至线粒体基质,其导入过程部分依赖于∆ψ4,5。
线粒体不仅参与细胞的生物能量代谢,还影响三羧酸循环(TCA)和β-氧化等重要代谢过程,通过调节钙离子参与细胞信号传导,并在细胞凋亡中发挥关键作用6。具体而言,在细胞应激状态下,定位于线粒体外膜或与之相互作用的BCL-2家族蛋白可导致线粒体外膜通透性增加(MOMP)7,8。在MOMP过程中,细胞色素c及其他蛋白被释放到细胞质中,并与多种胞质蛋白共同形成一种称为凋亡体(apoptosome)的复合物9,10。凋亡体可激活caspase,进而在细胞凋亡的执行阶段切割细胞内的蛋白质和DNA。一旦发生MOMP,线粒体膜电位(∆Ψ)即崩溃,ATP合成停止。因此,随着凋亡的启动,线粒体功能受损,∆Ψ的变化可作为评估线粒体及细胞健康状况的指标12。尽管凋亡是许多疾病模型的终末事件,但线粒体功能及其∆Ψ的变化同样可为疾病的发生和/或进展提供重要信息。例如,在神经退行性疾病发展过程中,已观察到线粒体结构和功能的改变13,14。
在本实验方案的第一部分,描述了保持其膜电位(ΔΨ)完整的线粒体的分离方法。将HEK-293T细胞暴露于不同浓度和组合的重组TNF-α、IL1-β和IFN-γ中,以诱导细胞凋亡。选择这些细胞因子是因为它们在原代人脓毒症样本中常被报道水平升高15,且TNF-α与其受体结合可触发细胞凋亡的外源性通路6。由于从原代组织中分离功能性线粒体的操作与培养细胞存在细微差异,且许多研究使用动物模型,因此本方案还描述了如何从前侧索硬化症(ALS)小鼠模型的肝脏和脊髓组织中分离线粒体。
本方案的第二部分旨在利用对电位敏感的荧光染料,通过荧光酶标仪监测线粒体膜电位的变化。通过定量检测分离线粒体在解偶联剂、呼吸链抑制剂、复合物抑制剂和离子载体作用下的ΔΨ强度,可区分细胞状态(即,健康与非健康状态)。线粒体越健康,使用线粒体抑制剂处理后其∆Ψ的变化幅度越大,因此线粒体的反应可作为线粒体(功能障碍)的指标。
使用分离的线粒体而非对功能进行原位评估,能够提供明确证据,表明某种病理状态或治疗手段可直接调控细胞器的变化16-18。尽管文献中已有从培养细胞中分离线粒体的方法,但这些方法往往描述模糊17,和/或依赖专用设备16。本方案详细描述了线粒体分离方法,并可轻松适用于其他细胞系,包括原代组织及培养细胞13,14,19,20。许多使用分离线粒体的研究采用了与本方案相同的线粒体解偶联剂和抑制剂,但使用的是克拉克电极(21为文献中众多论文的代表性示例),而该设备同样属于高度专业化的仪器。此外,这种传统方法存在通量低、操作复杂等局限性22,23,且需要大量线粒体(约500 µg/反应)。在本方案中,采用荧光膜电位探针TMRE结合荧光酶标仪进行检测,后者是许多实验室中的常规设备。TMRE被广泛认可,因其可快速进入细胞和分离的线粒体,并可在低浓度下使用24。利用本方案可快速并行设置多个反应,并进行批量分析。此外,该方法所需分离线粒体的用量显著减少(约10 µg/反应)。由于所需材料更少,可使用更小的组织或细胞培养样本作为线粒体分离的起始材料,可设置更多重复或反应,且可能留有足够材料用于其他分离线粒体实验,如ATP生成、耗氧量或蛋白导入检测等。
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所有动物实验均符合美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)指南,并经维克森林大学动物护理与使用委员会批准。SOD1G93A [B6SJL-TgN (SOD1-G93A) 1Gur] 小鼠模型的繁殖对购自杰克逊实验室(The Jackson Laboratory,缅因州巴港)。将非转基因野生型(WT)雌鼠与 SOD1G93A 雄鼠 [B6SJL-TgN (SOD1-G93A) 1Gur] 杂交,以产生 SOD1G93A 小鼠及其非转基因野生型同窝对照,用于后续实验。
1. 研究模型
2. 线粒体的分离
注意:操作过程中需迅速进行,并始终将所有物品置于冰上。
3. 线粒体(功能障碍)功能的评估
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用 200 pg/ml TNF-α、40 ng/ml IL1-β 和 75 ng/ml IFN-γ(*3)处理 HEK-293T 细胞 24–48 小时,可导致细胞死亡程度逐渐增加(图 1A)。通过 MTT 法检测细胞活力,结果一致显示,处理 24 小时后细胞活力下降约 10%,处理 48 小时后下降约 20%。使用相似浓度(100 pg/ml TNF-α、40 ng/ml IL1-β 和 75 ng/ml IFN-γ)处理细胞 48 小时也得到类似的细胞死亡结果,而单独使用各细胞因子处理则表明活力下降是由多种细胞因子联合作用所致(图 1B)。图 1B 中的活力数据代表三次独立实验(每组实验设三个重复)的平均值 ± 标准差,误差线紧密程度表明数据具有良好的可重复性。在本处理方案中,可调整细胞因子的用量以进一步明确每种细胞因子对细胞死亡的贡献,也可加入其他细胞因子或因素,前提是设置适当的对照组。
自20世纪40年代以来,文献中已有从细胞和组织中分离线粒体的描述28,29
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使用重组细胞因子处理HEK-293T细胞,在48小时后可引起中等程度的细胞死亡(图1)。经TNF-α处理所诱导的细胞死亡程度与先前报道的研究结果相似30,而联合给予多种细胞因子后细胞活力的下降程度大于单用任一细胞因子时的叠加效应,这也与文献报道一致31,32。该细胞培养模型允许灵活调整细胞因子的种类和剂量,并可将细胞因子组合与单个因子进行比较,因而适用于研究细胞因子暴露对肾细胞产生的特异性影响。此外,实验结果具有高度可重复性且易于实现(图2)。需注意的因素包括细胞的融合度。例如,在100%融合度下处理的细胞,相较于在70–80%融合度下处理的细胞,对相同浓度细胞因子的反应较弱。此外,应记录细胞传代次数,因为细胞在培养中存留时间过长(自复苏后超过8–12周)可能会影响其反应性。尽管用细胞因子处理培养细胞会导致细胞活力下降及线粒体功能受损,但该模型本身并非脓毒症的完整模拟。然而,采用更具临床相关性的模型,例如使用从小鼠分离的原代肾细胞,或采用经刺激的THP1细胞自然分泌的细胞因子进行处理33,是本研究工作的自...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究部分得到了美国国家科学基金会(NSF)CHE-1229562 项目资助(VDGM)、伊隆大学本科研究办公室、伊隆大学化学系以及伊隆大学Lumen奖(TL 和 TAD)、伊隆大学学院研究员项目(JAC)和伊隆大学学院荣誉项目(TAD)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| L-谷氨酸 | Sigma | G1251 | 可使用钾盐替代。 |
| 苹果酸 | Sigma | M8304 | 可使用钾盐替代。 |
| KH2PO4 | Sigma | P0662 | |
| K2HPO4 | Sigma | P3786 | |
| EGTA | Sigma | E3889 | |
| Trisma 碱基 | Sigma | T6066 | |
| MOPS | Sigma | M3183 | |
| CCCP | Sigma | C2920 | 用乙醇稀释至 100 μM 作为工作液,-20 °C 保存。 |
| 缬氨霉素 | Sigma | V0627 | 用 DMSO 配制,使用浓度为 5 μM 的工作液,-20 °C 保存。 |
| 蔗糖 | Fisher | S5-500 | |
| KCN | Mallinckrodt | 6379 | 用乙醇配制高浓度储备液,然后用水稀释 |
| 鱼藤酮 | Sigma | R8875 | 剧毒,用乙醇配制。 |
| 寡霉素 | Sigma | O4876 | 剧毒,用乙醇配制。 |
| ADP | Sigma | A2754 | |
| TMRE | Sigma | 8717-25mg | 使用前立即用 EB 稀释 100 μM 储备液。 |
| DMEM | Gibco | 11965-084 | 1× 常规(高葡萄糖)。 |
| 青霉素-链霉素 | Invitrogen | 15140-155 | |
| L-谷氨酰胺 | Fisher | SH3002101 | 分装后于 -20 °C 保存 |
| FBS | Lonza | 14-501F | 美国来源,优质。热灭活后分装,-20 °C 保存。 |
| 胰蛋白酶-EDTA | Sigma | T4049 | |
| DMSO | SIgma | D2650 | |
| 蛋白检测试剂(5×) | Bio-Rad | 500-0006 | 可使用任何蛋白检测试剂替代。 |
| BSA | Fisher | BP1600-100 | 用纯水配制 2 mg/ml 储备液用于蛋白检测。 |
| MTT 粉末 | Sigma | M2128 | 用 PBS 配制 5 mg/ml 储备液,过滤除菌。分装后 -20 °C 保存;4 °C 可保存一周。 |
| Tergitol 溶液(NP-40) | Sigma | NP40S | |
| 重组人 IL-1β | Gibco | PCH08014 | 开启后分装,-20 °C 保存 |
| 重组人 TNF-α | Gibco | PHC3015L | |
| 重组人 IFN-γ | Gibco | PHC4031 | |
| Dulbecco 磷酸盐缓冲液(-/-) | Sigma | D8537 | 确保不含 Mg2+ 和 Ca2+ 离子。 |
| 细胞色素 c ELISA 试剂盒 | R&D systems | DTC0 | 适用于 HEK-293T 细胞的人源试剂。 |
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