要深入理解线粒体功能的调控机制,必须分析线粒体结构与功能之间的关系。本文描述并演示了在活体和固定处理的黑腹果蝇(Drosophila)卵巢中研究线粒体结构与功能的特定方法。
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要深入理解线粒体功能的调控机制,必须分析线粒体结构与功能之间的关系。本文描述并演示了在活体和固定处理的黑腹果蝇(Drosophila)卵巢中研究线粒体结构与功能的特定方法。
线粒体结构与功能关系的分析对于深入理解线粒体功能调控机制至关重要。荧光显微镜是直接评估活细胞中线粒体结构与功能、研究线粒体结构与功能关系不可或缺的工具,而线粒体结构与功能关系主要受调控线粒体分裂与融合事件的分子所调节。本文描述并演示了在模式生物中研究活体及固定组织中线粒体结构与功能的具体方法 黑腹果蝇首选的组织是 果蝇 卵巢,可被分离并处理以适用于 离体 活细胞共聚焦显微镜观察。此外,本文还描述了如何在遗传水平上操控线粒体分裂蛋白 Drp1 果蝇 卵巢以研究 Drp1 驱动的线粒体分裂在调控线粒体结构与功能关系中的作用。这些方法的广泛应用已在已发表的数据和新数据中得到证实。所述方法可进一步拓展用于理解营养物质和/或生长因子对线粒体特性的直接影响 离体鉴于线粒体功能失调是多种疾病病因的基础,本研究在一种遗传上易于操作的模式生物中开发了所述创新方法,果蝇有望显著促进对线粒体结构与功能关系的机制细节的理解,并推动靶向线粒体的治疗策略的开发。
线粒体通常被称为细胞的“动力工厂”,因为它们是分化细胞中能量生成的主要场所。此外,线粒体在代谢、产热、脂质修饰、钙稳态和氧化还原稳态、细胞信号通路的协调等方面也发挥着关键作用等1。线粒体还积极参与细胞死亡的诱导2以及细胞周期的调控3。这种多功能性引出了以下两个基本问题:a)线粒体如何同时执行这些多种功能?b)是否存在特定的线粒体亚群或亚区域,专门负责不同的功能?在此背景下,值得注意的是,线粒体在单个细胞内的形态、大小和结构具有动态性,且不同细胞类型的线粒体稳态形态可能存在差异。来自多个实验室数十年的研究表明,线粒体形态、大小和结构的改变(统称为线粒体动力学)对于维持多种线粒体功能至关重要4,5,6。 这些发现提示,线粒体可能正是凭借其结构上的动态变化来实现其多功能性的。
目前,人们正在大力研究线粒体结构与功能之间的关系。线粒体结构的动态特性主要依赖于它们相互之间发生分裂与融合的能力。大型线粒体的分裂将其转化为较小的线粒体单元,而两个较小线粒体之间的融合则使它们合并为更大的线粒体单元7此外,两个线粒体之间可能发生瞬时融合,以实现其内容物的混合。线粒体内膜和外膜的分裂与融合事件由特定的蛋白质组精确调控。核心分裂机制由动力相关蛋白1(Drp1)构成,该蛋白通过与某些因子相互作用,从细胞质中被招募至线粒体。 真正有效的 线粒体蛋白(例如, Fis1 或 Mff1),而 Drp1 的功能也可受到线粒体表面其他蛋白质的调控4尽管 Drp1 作用于外膜,但其分裂功能同样会影响内膜。目前,外膜与内膜分裂过程的协调机制尚不明确。另一方面,内膜融合主要由 Opa1 的活性核心调控,而外膜融合则由线粒体融合蛋白(mitofusins)调控。5线粒体分裂与融合事件之间的平衡决定了细胞中线粒体稳态下的形态。例如,抑制线粒体分裂将导致完全且无对抗的融合,而线粒体分裂过度活跃则会引起线粒体碎片化。3.
线粒体结构与功能关系的研究主要涉及两种互补的方法:a)在线粒体分裂/融合蛋白的遗传操作后,分析细胞和生物体的表型;b)对线粒体结构与功能进行直接评估。值得注意的是,遗传学分析并不总能揭示目标分子(此处为线粒体分裂/融合蛋白)的直接功能,因为所观察到的表型可能源于间接或继发效应。因此,开发并使用能够直接研究线粒体结构与功能的工具至关重要。对线粒体结构的任何评估均需借助多种显微技术。活细胞荧光显微镜的应用极大地推动了线粒体动态的研究,因为借助适当的荧光显微镜工具与技术,线粒体的动态行为可实现定性与定量的同步监测。8基于荧光显微镜的技术已被开发用于研究活细胞和固定细胞中线粒体的结构与功能 黑腹果蝇 组织,阐明线粒体动态的重要性 体内9这些及相关方法在此描述,旨在研究线粒体的结构与功能 果蝇 卵巢
果蝇 卵巢由生殖系和体细胞系组成,它们分别起源于位于生殖囊中的成体干细胞10,11。16个合胞体生殖细胞(GCs)被体细胞滤泡细胞(FCs)包裹,形成独立的卵室,这些卵室从生殖囊中依次产生(图1)。在16个GCs中,其中一个被指定为卵细胞,其余15个GCs则发育为滋养细胞,支持卵细胞室的生长,促进卵子在产出前的成熟过程。大多数FCs在退出有丝分裂细胞周期并最终分化为具有特定模式的上皮细胞层之前,会经历9轮有丝分裂,该上皮层包括前端滤泡细胞(AFCs)、后端滤泡细胞(PFCs)和主体细胞(MBCs)。连续的卵室由 stalk 细胞连接,这些stalk细胞是分化细胞,也在发育早期由FCs衍生而来。线粒体裂变蛋白Drp1调控的线粒体形态在果蝇卵巢滤泡细胞层正常发育过程中的分化阶段发挥重要作用9,12。本文描述了这些研究中用于鉴定Drp1在果蝇滤泡细胞层发育中作用的方法。
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1. 准备 果蝇 (所需工具如图2A所示)
2. 解剖 黑腹果蝇 卵巢(所需工具如图 2A 所示)
3. 活体组织显微镜观察的准备工作
注意: 所需工具如图2A所示。
4. 评估线粒体基质连续性的光漂白荧光丢失(FLIP)实验
注意: 融合线粒体结构中,线粒体基质连续性的建立发生在内膜和外膜完全融合之后,此过程需经历一系列中间步骤。线粒体分裂可能遵循相同的步骤,但方向相反。图3A)。FLIP 是一种基于延时显微镜的半定量方法,可用于评估线粒体在最终融合状态下的基质连续性 离体 线粒体(步骤 3 和 4) 图3A在活体中 果蝇 卵巢9. FLIP 实验通过定期对线粒体基质中表达荧光分子的线粒体特定兴趣区域(ROI)进行光漂白来实施(FLIP ROI 在 图3A)。因此,任何与FLIP ROI(实验ROI)相连的周围线粒体区域( 图3A)会因持续的线粒体基质分子交换而失去信号。此处展示的FLIP实验是在转基因个体上进行的 果蝇 表达 mitoYFP,该蛋白包含人细胞色素氧化酶 VIII 亚基的线粒体靶向序列,并与 YFP 标记融合,以游离扩散形式靶向定位至线粒体基质。类似实验也可使用此前报道的 mito pUASP-mito-GFP 转基因进行。9. 可采用类似的FLIP方案,使用靶向线粒体膜间隙的探针,以检测因线粒体外膜融合而产生、但内膜未融合所导致的连续性(步骤2) 图3A).
5. 使用荧光线粒体染料进行活体染色
注意: 可使用特异性进入活细胞和组织中线粒体的染料来评估线粒体的稳态结构和膜电位。可对活体果蝇(Drosophila)卵巢进行离体(ex vivo)荧光线粒体染色,以观察线粒体形态,评估线粒体活性氧(mito-ROS)的产生水平,以及单位质量线粒体的膜电位。该方法可通过联合染色实现:使用线粒体膜电位染料四甲基罗丹明乙酯(TMRE)与一种可兼容的、用于标记线粒体质量的活细胞线粒体染料(具体染料见材料表)共同染色。
6. Drp1 缺失嵌合体的制备
注意: 此处使用的克隆策略会在绿色荧光蛋白(GFP)阳性、表型为野生型但基因型为 Drp1 空白突变杂合的遗传背景下,产生 GFP 阴性的 Drp1 空白克隆9。通过热激诱导的翻转酶-翻转酶识别靶位点(FLP-FRT)介导的特异性有丝分裂重组,可生成功能上为空白的 drpKG03815 等位基因的纯合克隆。Drosophila 中携带 Drp1 突变体的基因型为 drpKG03815 FRT40A/CYO,而携带热激诱导型 FLP(hsFLP)和 UbiGFP 克隆标记的基因型为 hsflp; ubiquitin nls-GFP(UbiGFP)FRT 40A/CyO。上述两种基因型杂交后所选子代的基因型为 hsFLP/+; drpKG03815FRT40A/UbiGFPFRT40A。
7. Cyclin E 与线粒体的共免疫染色
注意: 为了检测黑腹果蝇(Drosophila)Cyclin E(dCyclinE),我们使用了一种 commercially obtained(商业获取的)抗体,该抗体特异性针对 dCyclinE9(参见材料表)。作为线粒体标记物,我们使用了针对 ATP-B(线粒体 ATP 合酶复合物的一个亚基)的抗体9。
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所述方法可用于研究活体和固定果蝇(Drosophila)卵巢中的线粒体结构与功能(图2B)。以下提供了一些使用所述方法可预期获得的结果示例。
解剖 果蝇 卵巢:进一步解剖切断的腹部(图 3B)来自整体 黑腹果蝇 (图3A应释放腹腔内容物,包括每个个体的2个卵巢 果蝇完整的卵巢呈卵圆形、白色结构(图中箭头所示) 图3C 和 D)理想情况下应通过输卵管柄保持相互连接。每根卵巢中的卵巢管应由纤维鞘(放大图中的#)固定在一起。 图3C),通过仔细剥离去除(图中粗箭头所示 图 3D* 表示因过度分离导致滤泡附器脱落的受损卵巢)以暴露滤泡用于染色...
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方案中的关键步骤
光漂白:为实现高效的共聚焦显微镜成像,必须严格防止荧光样品发生过度光漂白。因此,应尽量缩短通过目镜定位样品或通过实时扫描模式设置图像采集参数的时间,以最大限度减少光漂白的发生。
组织损伤:由于线粒体被认为是细胞健康的感应器,因此确保使用所述方法获得的数据具有生理相关性至关重要,这些数据不应反映因解剖Drosophila卵巢操作不当所造成的损伤。解剖过程应尽可能迅速,同时必须极度谨慎以最大限度减少组织损伤。在我们操作下,解剖并分离5个Drosophila卵巢的平均时间为5至7分钟。必须努力识别出显示组织损伤的卵室,并将其排除在分析之外。解剖引起的组织损伤可能包括异常的间隙(*见图9A,表现为信号缺失)、切口或撕裂(*见图9B,表现为信号缺失)或卵室的形变(*见图9C)。然而,由实验操作引起的任何显著卵室形变都应仔细评估。尽管在本...
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作者无竞争性财务利益。
我们感谢 Leena Patel 和 Diamond Woodard 提供的帮助 黑腹果蝇 培养基制备,以及 Igor Chesnokov 博士提供带摄像头体视显微镜的使用权限。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Grace's 培养基(昆虫解剖培养基) | Fisher Scientific | 30611031-2 | |
| 41 甲醛水溶液 | Electronic Microscopy Sciences | 50-259-99 | |
| Mitotracker Green(线粒体总体染色剂) | Life Technologies | m7514 | 重悬并分装 |
| 四甲基罗丹明乙酯高氯酸盐 | Sigma Aldrich | 87917-25MG | 重悬并分装 |
| MitoSox(Mito-Ros 染色剂) | Life Technologies | m36008 | 重悬并分装 |
| 多聚赖氨酸 | MP Biomedicals | ICN15017625 | |
| 果蝇培养管 | Fisher Scientific | AS-515 | |
| 果蝇锥形管 | Fisher Scientific | AS-355 | |
| 果蝇培养管塞 | Fisher Scientific | AS273 | |
| 果蝇锥形管塞 | Fisher Scientific | AS 277 | |
| Jazzmix 果蝇饲料(Drosophila 饲料) | Fisher Scientific | AS153 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma Aldrich | A9647-50G | |
| Cyclin E 抗体(d-300) | Santa Cruz | sc- 33748 | |
| ATPB 抗体 [3D5] - 线粒体标记物 | AbCam | ab14730 | |
| Cy3 AffiniPure 山羊抗小鼠 IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 115-165-146 | |
| Cy5 AffiniPure 山羊抗兔 IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 111-175-144 | |
| Hoechst | Fisher Scientific | H3570 | |
| VectaShield | Fisher Scientific | H100 | |
| Azer Scientific EverMark Select 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 22-026-252 | |
| 显微镜盖玻片 | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Mat Tek Corp 玻璃底细胞培养皿 | Fisher Scientific | P35G-0-14-C | |
| 活性干酵母 | Fisher Scientific | ICN10140001 | |
| 共聚焦显微镜 | Carl Zeiss | LSM 700 | |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Technologies | 11251-20 | |
| Moria 镍镀针夹 | Fine Science Technologies | 26016-12 | |
| 微型细针 | Fine Science Technologies | 26002-15 | |
| MYFP(w[*]; P{w[+mC]=sqh-EYFP-Mito}3) | Bloomington Stock Center | 7194 | |
| 果蝇操作垫 | Fly stuff | 59-118 | |
| 吹管 | Fly stuff | 54-104 | |
| 吹管针头 | Flystuff | 54-119 | |
| 解剖显微镜 | Carl Zeiss | Stemi 2000 | |
| 分析软件 | Carl Zeiss | Zen | |
| 分析软件 | 开源 | Image J | |
| 研究用宏变焦显微镜 | Olympus | MVX10 | |
| QICAM Fast 1394 冷却型数字相机,12 位,单色 | QImaging | QIC-F-M-12-C | |
| QCapture Pro 5.1 | QImaging |
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