本方案描述了一种在样品量有限的情况下分析呼吸链超级复合物的技术。
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本方案描述了一种在样品量有限的情况下分析呼吸链超级复合物的技术。
近几十年来,关于呼吸链超复合物(SCs)存在的证据不断积累,改变了人们对线粒体电子传递链结构的认识,从而提出了“可塑性模型”。该模型认为,不同组织或细胞代谢状态下,超复合物与独立复合物以不同比例共存。超复合物组装的动态特性使细胞能够优化可用燃料的利用和电子传递效率,减少活性氧的产生,并增强细胞适应环境变化的能力。
最近,已有报道称,在多种疾病中存在线粒体超复合物(SC)组装异常,例如神经退行性疾病(阿尔茨海默病和帕金森病)、Barth综合征、Leigh综合征或癌症。SC组装改变在疾病进展中的作用仍有待证实。然而,获取足够数量的样本以确定SC组装状态常常面临挑战。这种情况常见于体积较小或需用于多项分析的活检或组织样本、生长缓慢或来自微流控装置的细胞培养物、某些原代培养细胞或稀有细胞,以及需要分析特定昂贵处理方法(如纳米颗粒、价格高昂的化合物等)效应的实验场景。在这些情况下,亟需一种高效且易于操作的方法。本文介绍了一种经过优化的方法,可从小量细胞或组织样本中获得富集的线粒体组分,进而通过天然电泳结合凝胶内活性检测或蛋白质印迹法分析线粒体SC的结构与功能。
超复合物(SCs)是各呼吸链复合物之间形成的超分子复合结构1,2。自Schägger研究团队首次鉴定出SCs并描述其组成2,3,并经其他研究团队后续证实以来,已明确SCs包含呼吸链复合物I、III和IV(分别为CI、CIII和CIV),且具有不同的化学计量比。可定义出两类主要的SCs:一类包含CI(以及单独的CIII或CIII与CIV的组合),分子量(MW)极高(较小的SC:CI + CIII2的分子量约为1.5 MDa);另一类包含CIII和CIV,但不含CI,分子量明显更小(例如CIII2 + CIV,分子量约为680 kDa)。这些SCs与游离的呼吸复合物共同存在于线粒体内膜中,且比例各异。因此,CI主要以结合形式存在(即存在于SCs中:在牛心组织中约占80%,在多种人类细胞类型中超过90%)3,而CIV则大量以游离形式存在(在牛心组织中超过80%),CIII的分布则相对均衡(在牛心组织中,其较丰富的游离二聚体形式约占40%)。
尽管其存在目前已普遍被接受,但其确切作用仍存在争议4,5,6,7,8,9,10。根据可塑性模型,不同比例的超复合物(SCs)和单个复合物的存在可能取决于细胞类型或代谢状态1,7,11。这种组装结构的动态特性可使细胞根据环境变化调节可用燃料的利用以及氧化磷酸化(OXPHOS)系统的效率4,5,7。超复合物还可能有助于控制活性氧的生成速率,并参与单个复合物的稳定与更新4,12,13,14。已有研究报道,超复合物组装状态的改变与多种生理和病理状况15,16以及衰老过程17相关。
因此,已发现酵母中呼吸链超复合物(SC)的模式会随生长所用碳源的不同而发生变化2 ,在培养的哺乳动物细胞中,当葡萄糖被半乳糖取代时也观察到类似变化4。小鼠肝脏在禁食后8以及星形胶质细胞在线粒体脂肪酸氧化受阻时18,也报道过类似的修饰。此外,在Barth综合征19、心力衰竭20、多种代谢性疾病21和神经系统疾病22,23,24以及不同类型的肿瘤25,26,27,28中,均发现SCs和氧化磷酸化(OXPHOS)水平降低或发生异常。目前仍在研究这些病理状态下SC的组装和含量变化究竟是原发性病因,还是继发性效应15,16。多种方法可用于获取有关SC组装与功能的信息,包括酶活性测定8,29、超微结构分析30,31以及蛋白质组学分析32,33。一种日益广泛应用的有用替代方法,也是前述部分方法的基础,是通过Schägger团队为此目的开发的蓝色天然电泳(Blue native, BN)直接测定SC的组装状态34,35。
该方法需要可重复且高效的步骤来获取并溶解线粒体膜,并可结合其他技术进行补充,如凝胶内活性分析(IGA)、第二维电泳和蛋白质印迹(WB)。通过BN电泳研究超复合物(SC)动态变化的一个限制因素是起始细胞或组织样本的数量。本文介绍了一系列用于分析超复合物组装与功能的实验方案,这些方案改编自Schägger研究组的方法,适用于新鲜或冷冻的细胞及组织样本,起始样本量可低至20 mg组织。
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注意:所有培养基和缓冲液的成分详见表1,本实验方案中使用的所有材料和试剂的相关信息均列在材料表中。
1. 从细胞培养物中分离线粒体
注意:检测细胞的最小体积约为30-50 µL的压紧细胞(步骤1.4)。这大致相当于两到三个100 mm细胞培养皿,或一个150 mm培养皿在80-90%汇合度时的细胞量,具体取决于细胞类型(L929衍生细胞或MDA-MB-468细胞中约为5 × 106至107个细胞)。高效的细胞破碎是关键步骤。
2. 从少量动物组织中分离线粒体
注意:使用本方案并获得可靠结果所需的最小组织量取决于细胞类型及其线粒体丰度,但在大多数情况下约为 20–30 mg 组织。组织样本可以是新鲜材料,也可以是冷冻样本。若为后者,在开始操作前,需将样本置于冰上的匀浆缓冲液中解冻。
3. 蓝色天然电泳分析样品的制备
4. 蓝色天然凝胶电泳
注意:电泳在低温室(4-8 °C)中进行。若无低温室设备,可在电泳槽中加入冷却块。可使用商用的3-13%非变性聚丙烯酰胺凝胶29,也可使用自制的所需梯度浓度的凝胶38,39。
5. 凝胶染色
6. 凝胶内活性(IGA)检测
7. 蛋白质印迹分析
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按照上述方案获得的线粒体得率受多种因素影响,例如细胞系或组织类型、样品性质(即使用新鲜或冷冻组织)以及匀浆过程的效率。不同细胞系和组织的线粒体预期得率汇总于表2中。获得线粒体组分后,下一步是分析呼吸链超复合物(SCs)的模式,该分析在粗制线粒体样品溶解后进行,通过BN-PAGE电泳分离,随后进行IGA分析或WB免疫检测。图1展示了电泳运行结束后未染色凝胶泳道的外观,以及培养细胞系和小鼠肝脏线粒体样品经标准考马斯亮蓝染色后的条带模式。
在图2A、B中,通过IGA检测可观察到人和小鼠细胞中SC组装模式之间的明显差异。因此,在小鼠细胞中可观察到游离的复合物I,而在人线粒体中则无法检测到。复合物IV-IGA模式在两种人细胞系中非常相似(图2B),而在图2A中分析的两种小鼠细胞系之间则存在...
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所描述方案中引入的方法学改进 此处旨在避免损失并提高产量,同时维持线粒体复合物的活性(当样本数量不足时,这一点尤为关键),并重现组织或细胞系预期的呼吸链复合物(SCs)模式(参见 图2C)。为了实现这一目的,且由于检测SCs时无需高纯度的线粒体,因此在可能的情况下已尽量减少步骤数、操作时间和试剂体积。
因此,在匀浆后通过低速离心去除细胞核和未破碎的细胞,将含有线粒体的上清液转移至1.5 mL聚丙烯管中,随后在微量离心机中通过提高离心速度、缩短离心时间并减少样品体积的方式进行后续离心,以获得粗线粒体组分,相较于传统方案更为高效。该方法可在相对较短的时间内处理多个样品:粗略估计,从匀浆开始(方案步骤1.6或组织对应的等效步骤)到获得可直接上样至凝胶的SCs组分(方案步骤3.7) ,可在约2–2.5小时内完成10个样品的处理,同时最大限度减少样品损失并保持其活性。与原始的Schägger团队方案相比,另一项改进是在膜溶解以获得SCs组分后,用简单的微量离心替代超速离心步骤(方案步骤3.4)。
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作者声明无利益冲突。
本工作由西班牙科学与创新部(https://ciencia.sede.gob.es/)资助,项目编号为"PGC2018-095795-B-I00",以及由阿拉贡自治区政府(DGA)(https://www.aragon.es/)资助的“参考研究组:E35_17R”项目和项目编号“LMP220_21”资助,资助对象为PF-S和RM-L。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙酸 | PanReac | 131008 | |
| 氨基己酸 | Fluka Analytical | 7260 | |
| ATP | Sigma-Aldrich | A2383 | |
| Bis Tris | Acrons Organics | 327721000 | |
| Bradford 法蛋白定量试剂 | Biorad | 5000002 | |
| 考马斯亮蓝 G-250 | Serva | 17524 | |
| 考马斯亮蓝 R-250 | Merck | 1125530025 | |
| 细胞色素 c | Sigma-Aldrich | C2506 | |
| 二氨基 联苯胺(DAB) | Sigma-Aldrich | D5637 | |
| 皂苷 | Sigma-Aldrich | D5628 | |
| EDTA | PanReac | 131669 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich | E3889 | |
| 无脂肪酸牛血清白蛋白(BSA) | Roche | 10775835001 | |
| 甘氨酸 | PanReac | A1067 | |
| 聚四氟乙烯(Teflon)匀浆器研杵 | Deltalab | 196102 | |
| 咪唑 | Sigma-Aldrich | I2399 | |
| K2HPO4 | PanReac | 121512 | |
| KH2PO4 | PanReac | 121509 | |
| 甘露醇 | Sigma-Aldrich | M4125 | |
| 甲醇 | Labkem | MTOL-P0P | |
| MgSO4 | PanReac | 131404 | |
| Mini Trans-Blot 转膜装置 | BioRad | 1703930 | |
| MOPS | Sigma-Aldrich | M1254 | |
| MTCO1 单克隆抗体 | Invitrogen | 459600 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| NADH | Roche | 10107735001 | |
| NativePAGE 3 至 12% Mini 蛋白凝胶 | Invitrogen | BN1001BOX | |
| NativePAGE 阴极缓冲液添加剂(20×) | Invitrogen | BN2002 | |
| NativePAGE 电泳缓冲液(20×) | Invitrogen | BN2001 | |
| NDUFA9 单克隆抗体 | Invitrogen | 459100 | |
| 硝基蓝四氮唑盐(NBT) | Sigma-Aldrich | N6876 | |
| Pb(NO3)2 | Sigma-Aldrich | 228621 | |
| PVDF 膜 | Amersham | 10600023 | |
| 吩嗪甲基硫酸盐(PMS) | Sigma-Aldrich | P9625 | |
| Pierce ECL 底物 | Thermo Scientific | 32106 | |
| PMSF | Merck | PMSF-RO | |
| SDHA 单克隆抗体 | Invitrogen | 459200 | |
| 琥珀酸钠 | Sigma-Aldrich | S2378 | |
| 链霉素/青霉素 | PAN biotech | P06-07100 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S3089 | |
| Tris | PanReac | A2264 | |
| UQCRC1 单克隆抗体 | Invitrogen | 459140 | |
| XCell SureLock Mini-Cell | Invitrogen | EI0001 |
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