该方法利用线粒体通透性转换孔对低电导质子漏的贡献,测定新生脆性X综合征小鼠心肌细胞线粒体辅酶Q含量升高情况下孔道开放的电压阈值,并与野生型对照小鼠进行比较。
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该方法利用线粒体通透性转换孔对低电导质子漏的贡献,测定新生脆性X综合征小鼠心肌细胞线粒体辅酶Q含量升高情况下孔道开放的电压阈值,并与野生型对照小鼠进行比较。
线粒体通透性转换孔(mPTP)是一种电压门控、非选择性的线粒体内膜(IMM)大型通道,在生理和病理过程中具有重要作用。mPTP在低电导开放状态下介导质子跨内膜泄漏,且其活性可被环孢素A(CsA)特异性抑制。辅酶Q(CoQ)是mPTP的调节因子,在脆性X综合征新生小鼠模型(FXS,Fmr1基因敲除)中,已发现前脑和心脏线粒体的CoQ含量及mPTP开放概率存在组织特异性差异。我们建立了一种技术,利用mPTP作为质子泄漏通道的特性,测定该突变品系中mPTP开放的电压阈值。
为此,在质子漏呼吸期间,通过极谱法和四苯基磷(TPP+)离子选择性电极,同时测量分离线粒体中的耗氧量和膜电位(ΔΨ)。通过特定膜电位下环孢素A(CsA)介导的质子漏抑制的起始点,确定mPTP开放的阈值。利用该方法,可在辅酶Q过量的背景下精确定义mPTP电压门控的差异。这一新型技术将有助于未来进一步研究,以加深对mPTP低电导开放生理及病理调控机制的理解。
mPTP介导通透性转换(PT),即线粒体内膜(IMM)突然对小分子和溶质变得通透1,2。这一显著现象明显不同于IMM通常所具有的不通透特性,而IMM的这种不通透性对于建立氧化磷酸化所需的电化学梯度至关重要3。PT与其他线粒体转运机制不同,是一种高电导、非特异性和非选择性的过程,允许分子量高达1.5 kDa的多种分子通过4,5。mPTP是位于IMM上的一种电压门控通道,其开放会改变ΔΨ、ATP生成、钙稳态、活性氧(ROS)的产生以及细胞活力4。
在病理状态下,mPTP 的非受控且持续的高电导开放会导致电化学梯度的崩溃、基质肿胀、基质中吡啶核苷酸耗竭、外膜破裂、膜间隙蛋白(包括细胞色素 c)的释放,最终导致细胞死亡4,6。此类病理性 mPTP 开放已被证实参与心肌缺血-再灌注损伤、心力衰竭、创伤性脑损伤、多种神经退行性疾病以及糖尿病的发生发展1,7。然而,低电导的 mPTP 开放属于生理性过程,与高电导开放不同,不会引起显著的去极化或线粒体肿胀4。
通道孔的低电导开放将通透性限制在约300 Da,允许质子在不依赖ATP合成的情况下通过,并可能成为生理性质子漏的重要来源5。生理性mPTP开放会引起ΔΨ的可控性下降,增加呼吸链中的电子流,并导致超氧阴离子短暂的爆发或闪光,从而参与活性氧(ROS)信号传导8。调控这种瞬时的mPTP开放对钙稳态以及正常细胞的发育和成熟至关重要4,9,10,11。例如,在发育中的神经元中,瞬时通道开放可触发分化,而在未成熟心肌细胞中,mPTP的关闭则诱导其成熟4,5。
尽管mPTP在健康与疾病中的功能意义已得到充分证实,但其确切的分子身份仍存在争议。关于mPTP分子结构与功能的研究进展已在其他文献中得到全面综述12。简而言之,目前推测mPTP的高电导态和低电导态可能分别由不同的分子实体介导12。其中主要候选分子分别为F1/F0 ATP合酶(ATP synthase)和腺苷酸转运蛋白(ANT),分别对应高电导和低电导模式12。
尽管关于mPTP形成孔道的确切组分尚无定论,但某些关键特性已被阐明。mPTP的一个明确特征是其受电化学梯度调控,线粒体内膜(IMM)去极化可导致孔道开放13。先前研究表明,邻近巯基的氧化还原状态可改变mPTP的电压门控特性:氧化作用使孔道在相对较高的ΔΨ下开放,而巯基的还原则增加mPTP关闭的概率14。然而,介导该电压感应的蛋白质组分仍不明确。
已鉴定出多种可调节孔道开放概率的小分子。例如,线粒体通透性转换孔(mPTP)的开放可被钙离子、无机磷酸盐、脂肪酸和活性氧(ROS)促进,而腺嘌呤核苷酸(尤其是ADP)、镁离子、质子和环孢素A(CsA)则可抑制其开放5,12。其中部分调节因子的作用机制已被阐明。线粒体钙离子至少部分通过与ATP合酶的β亚基结合,从而触发mPTP的开放15。活性氧(ROS)可通过降低mPTP对ADP的亲和力,并增强其对亲环素D(CypD)的亲和力,从而激活该孔道;CypD是目前研究最为深入的蛋白质性质的mPTP激活因子16。无机磷酸盐和脂肪酸激活mPTP的具体机制尚不明确。至于内源性抑制因子,ADP被认为可通过结合腺苷酸转位酶(ANT)或ATP合酶而抑制mPTP;而镁离子则通过将钙离子从其结合位点置换出来,发挥其抑制作用15,17,18,19。
低pH通过质子化ATP合酶调节性寡霉素敏感赋予蛋白(OSCP)亚基的组氨酸112,从而抑制mPTP的开放12,20,21。mPTP的典型药理学抑制剂环孢素A(CsA)通过结合CypD并阻止其与OSCP相互作用而发挥作用22,23。先前的研究还表明,多种辅酶Q(CoQ)类似物可与mPTP相互作用,发挥抑制或激活作用24。在近期研究中,我们发现新生FXS小鼠前脑线粒体中因CoQ缺乏导致mPTP病理性开放、质子泄漏过度以及氧化磷酸化效率低下25。
外源性辅酶Q封闭孔道可阻断病理性质子泄漏,并诱导树突棘形态成熟25。有趣的是,在相同动物中,脆性X综合征心肌细胞的辅酶Q水平异常升高,且线粒体通透性转换孔(mPTP)关闭概率高于野生型对照组26。尽管这些组织特异性辅酶Q水平差异的原因尚不清楚,但这些发现强调了内源性辅酶Q可能是mPTP的关键调节因子。然而,目前对辅酶Q介导mPTP抑制的机制仍不清楚,存在重要的知识空白。
mPTP的调控是细胞信号传导和存活的关键决定因素4因此,在研究特定的病理生理机制时,检测线粒体内mPTP的开放至关重要。通常,通过使用钙离子诱导通透性转换,来确定高电导孔道开放的阈值。这种钙超载会导致膜电位崩溃、氧化磷酸化迅速解偶联以及线粒体肿胀。27,28我们旨在开发一种检测低电导mPTP开放的方法 原位 而不诱导它 本身.
该方法利用了mPTP作为质子渗漏通道的作用。为此,采用克拉克型电极和TPP+离子选择性电极,分别在分离的线粒体进行渗漏呼吸期间,同时测量氧气消耗和膜电位29。mPTP开放的阈值通过环孢素A(CsA)介导的质子渗漏抑制在特定膜电位下的起始点来确定。利用该方法,精确界定了在辅酶Q过量背景下mPTP电压门控的差异。
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本研究中所述所有方法均获得哥伦比亚大学医学中心机构动物护理和使用委员会的批准。脆性X综合征(Fmr1 基因敲除,Fmr1 KO)模型小鼠(FVB.129P2-Pde6b+ Tyrc-ch Fmr1tm1Cgr/J)及对照组小鼠(FVB品系,FVB.129P2-Pde6b+ Tyrc-ch/AntJ)作为本研究的模型系统,均购自商业供应商(参见材料表)。每个实验组使用5至11只动物。出生后第10天(P10)的小鼠用于模拟人类婴儿期的某一时间点。
1. 小鼠心脏线粒体的分离
2. 线粒体氧(O2)消耗与ΔΨ
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这些实验中生成的典型 O2 消耗和 ΔΨ 曲线如图所示(图 1A、B)。每次实验开始时均显示了 TPP+ 校准过程中电压信号的对数下降。若未出现该对数模式,可能提示 TPP+ 选择性电极存在问题。线粒体在加入呼吸缓冲液后通常会立即产生 ΔΨ。根据能斯特方程,可通过 TPP+ 电压的变化来解读 ΔΨ(即线粒体基质内 [TPP+] 与外部 [TPP+] 的对数比值)30。请注意,生理状态下的 ΔΨ 接近标准曲线中 2 μM TPP+ 的水平。因此,电压阈值是相对于 2 μM TPP+ 标准设定的(记为 Δ mV TPP+ 电压信号)。
例如,“高 ΔΨ”定义为约 Δ0 mV(在 2 μM TPP+ 水平),“中等 ΔΨ”设定为约 ...
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本文描述了一种评估mPTP开放概率的方法。具体而言,通过在一系列ΔΨ条件下评估CsA抑制对质子漏的影响,确定了低电导mPTP开放的电压阈值。利用该技术,我们能够识别出FXS小鼠与FVB对照小鼠之间在mPTP电压门控方面的差异,这与它们在组织特异性CoQ含量上的差异一致。该方法成功的关键在于线粒体必须在使用前新鲜分离,并且质量良好。在分离过程中受损或过于陈旧的线粒体将无法产生适当的ΔΨ,通常会处于解偶联状态。需要注意的是,尽管基质pH通常对质子推动力有贡献,但在本实验中使用尼日里菌素(nigericin)来消除线粒体内膜(IMM)两侧的ΔpH,如先前标准的质子漏评估方案中所述29。因此,在本情况下,质子推动力等同于ΔΨ,从而简化了实验方法。
另一个重要考虑因素是,呼吸测定体系中使用的某些抑制剂(如鱼藤酮、寡霉素和环孢素A)难以在实验间彻底清洗干净,因为它们会吸附在反应室的塑料表面,包括离子选择性电极上。必须定期使用乙醇以及粗制冻融线粒体悬液对反应室进行清洗,以 "清除" 从腔室中彻底清除这些抑制剂,并降低抑制剂残留转移的...
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作者声明无利益冲突。
本工作获得以下基金资助:NIH/NIGMS T32GM008464(K.K.G.),哥伦比亚大学欧文医学中心麻醉学系校长目标机遇奖(K.K.G.),小儿麻醉学会青年研究者研究奖(K.K.G.),以及 NIH/NINDS R01NS112706(R.J.L.)
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