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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Mitochondriale Kontaktstellen sind Proteinkomplexe, die mit mitochondrialen inneren und äußeren Membranproteinen interagieren. Diese Stellen sind essentiell für die Kommunikation zwischen den mitochondrialen Membranen und damit zwischen dem Zytosol und der mitochondrialen Matrix. Hier beschreiben wir eine Methode zur Identifizierung von Kandidaten, die sich für diese spezifische Klasse von Proteinen qualifizieren.
Mitochondrien sind in praktisch allen eukaryotischen Zellen vorhanden und erfüllen essentielle Funktionen, die weit über die Energiegewinnung hinausgehen, z. B. die Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern, Lipiden oder Proteinen, die Ca2+ -Pufferung und die Induktion von Apoptose. Ebenso führt eine mitochondriale Dysfunktion zu schweren menschlichen Krankheiten wie Krebs, Diabetes und Neurodegeneration. Um diese Funktionen erfüllen zu können, müssen die Mitochondrien über ihre Hülle, die aus zwei Membranen besteht, mit dem Rest der Zelle kommunizieren. Daher müssen diese beiden Membranen ständig miteinander interagieren. Proteinhaltige Kontaktstellen zwischen der inneren und äußeren Membran der Mitochondrien sind dabei essentiell. Bisher wurden mehrere Kontaktstellen identifiziert. Bei der hier beschriebenen Methode werden die Mitochondrien von Saccharomyces cerevisiae verwendet, um Kontaktstellen zu isolieren und so Kandidaten zu identifizieren, die für Kontaktstellenproteine in Frage kommen. Wir haben diese Methode verwendet, um den mitochondrialen Kontaktstellen- und Cristae-Organisierungssystem-Komplex (MICOS) zu identifizieren, einen der wichtigsten kontaktstellenbildenden Komplexe in der mitochondrialen Innenmembran, der von der Hefe bis zum Menschen konserviert ist. Kürzlich haben wir diese Methode weiter verbessert, um eine neue Kontaktstelle zu identifizieren, die aus Cqd1 und dem Por1-Om14-Komplex besteht.
Mitochondrien erfüllen in Eukaryoten eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen, wobei die bekannteste die Produktion von ATP durch oxidative Phosphorylierung ist. Weitere Funktionen sind die Produktion von Eisen-Schwefel-Clustern, die Lipidsynthese und in höheren Eukaryoten die Ca2+-Signalgebung und die Induktion der Apoptose 1,2,3,4. Diese Funktionen sind untrennbar mit ihrer komplexen Ultrastruktur verbunden.
Die mitochondriale Ultrastruktur wurde erstmals mittels Elektronenmikroskopie5 beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass Mitochondrien ziemlich komplexe Organellen sind, die aus zwei Membranen bestehen: der mitochondrialen Außenmembran und der mitochondrialen Innenmembran. Somit werden von diesen Membranen zwei wässrige Kompartimente gebildet: der Intermembranraum und die Matrix. Die mitochondriale Innenmembran kann noch weiter in verschiedene Abschnitte unterteilt werden. Die innere Grenzmembran bleibt in unmittelbarer Nähe zur äußeren Membran, und die Cristae bilden Einstülpungen. Sogenannte Crista Junctions verbinden die innere Grenzmembran mit den Cristae (Abbildung 1). Darüber hinaus zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen osmotisch geschrumpfter Mitochondrien, dass es Stellen gibt, an denen die Mitochondrienmembranen fest miteinander verbunden sind 6,7. Diese sogenannten Kontaktstellen werden von Proteinkomplexen gebildet, die die beiden Membranen überspannen (Abbildung 1). Es wird angenommen, dass diese Interaktionsstellen aufgrund ihrer Bedeutung für die Regulierung der mitochondrialen Dynamik und Vererbung sowie für den Transfer von Metaboliten und Signalen zwischen dem Zytosol und der Matrix für die Lebensfähigkeit von Zellen unerlässlich sind8.
Der MICOS-Komplex in der mitochondrialen Innenmembran ist wahrscheinlich der am besten charakterisierte und vielseitigste kontaktstellenbildende Komplex. MICOS wurde 2011 in Hefe beschrieben und besteht aus sechs Untereinheiten 9,10,1 1: Mic60, Mic27, Mic26, Mic19, Mic12 und Mic10. Diese bilden einen Komplex von ca. 1,5 MDa, der an den Crista-Kontakten 9,10,11 lokalisiert ist. Die Deletion einer der beiden Kernuntereinheiten, Mic10 oder Mic60, führt zum Fehlen dieses Komplexes 9,11, was bedeutet, dass diese beiden Untereinheiten für die Stabilität von MICOS essentiell sind. Interessanterweise bildet MICOS nicht nur eine, sondern mehrere Kontaktstellen mit verschiedenen mitochondrialen äußeren Membranproteinen und -komplexen: dem TOM-Komplex 11,12, dem TOB/SAM-Komplex 9,12,13,14,15,16, dem Fzo1-Ugo1-Komplex9,Por1 10, OM45 10 und Miro 17. Dies deutet stark darauf hin, dass der MICOS-Komplex an verschiedenen mitochondrialen Prozessen beteiligt ist, wie z. B. dem Proteinimport, dem Phospholipidstoffwechsel und der Bildung der mitochondrialen Ultrastruktur18. Die letztgenannte Funktion ist wahrscheinlich die Hauptfunktion von MICOS, da das Fehlen des MICOS-Komplexes, der durch die Deletion von MIC10 oder MIC60 induziert wird, zu einer abnormen mitochondrialen Ultrastruktur führt, der es praktisch vollständig an regelmäßigen Cristae mangelt. Stattdessen akkumulieren interne Membranvesikel ohne Verbindung zur inneren Grenzmembran19, 20. Wichtig ist, dass MICOS in Form und Funktion von der Hefe bis zum Menschen konserviert ist21. Die Assoziation von Mutationen in MICOS-Untereinheiten mit schweren menschlichen Erkrankungen unterstreicht auch seine Bedeutung für höhere Eukaryoten22,23. Obwohl MICOS sehr vielseitig ist, müssen zusätzliche Kontaktstellen vorhanden sein (basierend auf unseren unveröffentlichten Beobachtungen). In der Tat wurden mehrere andere Kontaktstellen identifiziert, zum Beispiel die mitochondrialen Fusionsmaschinen Mgm1-Ugo1/Fzo1 24,25,26 oder Mdm31-Por1, das an der Biosynthese des mitochondrial-spezifischen Phospholipids Cardiolipin beteiligt ist 27. Kürzlich haben wir die Methode, die uns zur Identifizierung von MICOS führte, verbessert, um Cqd1 als Teil einer neuartigen Kontaktstelle zu identifizieren, die mit dem äußeren Membrankomplex Por1-Om1428 gebildet wurde. Interessanterweise scheint diese Kontaktstelle auch an mehreren Prozessen wie der Homöostase der mitochondrialen Membran, dem Phospholipidstoffwechsel und der Verteilung von Coenzym Q28,29 beteiligt zu sein.
Hier haben wir eine Variation der zuvor beschriebenen Fraktionierung der Mitochondrien 9,30,31,32,33 verwendet. Die osmotische Behandlung von Mitochondrien führt zur Störung der mitochondrialen Außenmembran und zu einer Schrumpfung des Matrixraums, so dass die beiden Membranen nur noch an Kontaktstellen in unmittelbarer Nähe sind. Dies ermöglicht die Erzeugung von Vesikel, die ausschließlich aus der mitochondrialen Außenmembran oder der mitochondrialen Innenmembran bestehen oder an Kontaktstellen beider Membranen durch milde Beschallung enthalten. Da die mitochondriale Innenmembran ein viel höheres Protein-zu-Lipid-Verhältnis aufweist, weisen mitochondriale Innenmembranvesikel im Vergleich zu mitochondrialen Außenmembranvesikeln eine höhere Dichte auf. Der Dichteunterschied kann genutzt werden, um die Membranvesikel durch Saccharose-Auftriebsdichtegradientenzentrifugation zu trennen. So akkumulieren die mitochondrialen äußeren Membranvesikel bei niedrigen Saccharosekonzentrationen, während die mitochondrialen inneren Membranvesikel bei hohen Saccharosekonzentrationen angereichert sind. Die Vesikel, die Kontaktstellen enthalten, konzentrieren sich bei mittleren Saccharosekonzentrationen (Abbildung 2). Das folgende Protokoll beschreibt diese verbesserte Methode, die im Vergleich zu unserer zuvor etablierten Methode32 weniger spezialisierte Ausrüstung, Zeit und Energie erfordert, im Detail und bietet ein nützliches Werkzeug zur Identifizierung möglicher Proteine an der Kontaktstelle.
1. Puffer und Vorratslösungen
2. Generierung von submitochondrialen Vesikeln
3. Trennung der submitochondrialen Vesikel

4. Analyse der submitochondrialen Vesikel
Es ist relativ einfach, die innere und äußere Membran der Mitochondrien zu trennen. Die Erzeugung und Trennung von Vesikeln, die Kontaktstellen enthalten, ist jedoch wesentlich schwieriger. Unserer Meinung nach sind zwei Schritte entscheidend und wesentlich: die Beschallungsbedingungen und der verwendete Gradient.
In der Regel wird angenommen, dass lineare Farbverläufe im Vergleich zu Stufengradienten eine bessere Auflösung haben. Ihre reproduzierbare Herstellung ist jedoch langwierig und erfordert spezielles Equipment. Daher haben wir eine Methode entwickelt, um einen Stufengradienten mit relativ kleinen Unterschieden zwischen den einzelnen Schritten zu erzeugen (siehe Schritt 3.5). Wir spekulierten, dass sich der Stufengradient beim Zentrifugieren ausgleichen würde, was zu einem nahezu linearen Gradienten führen würde. Auffallend war, dass die Bestimmung der Saccharosekonzentrationen der einzelnen Fraktionen nach der Zentrifugation mit einem Refraktometer zeigte, dass der Stufengradient nach 12 h Zentrifugation bei 200.000 x g tatsächlich nahezu linear wurde (Abbildung 3).
Die Bedeutung einer milden Beschallung wird in diesen repräsentativen Ergebnissen deutlich. Unter milden Beschallungsbedingungen (Abbildung 4A) war der mitochondriale Außenmembranmarker Tom40 in den frühen Fraktionen mit geringer Dichte (Fraktion Nr. 4) angereichert und fehlte in den späteren Fraktionen praktisch nicht. Der mitochondriale innere Membranmarker Tim17 war in hochdichten Fraktionen konzentriert (Fraktion Nr. 17). Im Gegensatz dazu akkumulierte das Kontaktstellenprotein Mic60 in Fraktionen mittlerer Saccharosekonzentration (Fraktion Nr. 12-14), was auf die erfolgreiche Erzeugung und anschließende Trennung der verschiedenen Membranvesikel hinweist. Im Gegensatz dazu konnte bei härteren Beschallungsbedingungen der mitochondriale Außenmembranmarker Tom40 in den unteren Fraktionen des Gradienten nachgewiesen werden (Fraktion Nr. 14 und Fraktion Nr. 17, Abbildung 4B). Darüber hinaus gab es eine signifikante Menge an Tim17 in Fraktionen mittlerer Dichte (Fraktion Nr. 13 und Fraktion Nr. 14, Abbildung 4B). Die unspezifische Anhäufung von äußeren und inneren Membranmarkern in Fraktionen mittlerer Dichte deutet auf die künstliche Bildung von Mischmembranen hin, die die Identifizierung von Kandidatenproteinen hemmen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der mitochondrialen Ultrastruktur. Eine schematische Darstellung eines Mitochondriums, um die verschiedenen Kompartimente, Membranen und Proteinpositionen zu zeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Arbeitsablauf der mitochondrialen Fraktionierung zur Isolierung von Proteinen an der Kontaktstelle. Eine schematische Übersicht über den im Protokoll beschriebenen Prozess. Die (1) frisch isolierten Mitochondrien waren (2) osmotisch geschwollen (3) und dann geschrumpft. (4) Die geschrumpften Mitochondrien wurden gegen eine milde Beschallung zur Erzeugung submitochondrialer Vesikel beanstandet. (5) Das Vesikelgemisch wurde konzentriert und auf einen Saccharose-Stufengradienten geladen. (6) Durch Zentrifugation wurden die mitochondrialen äußeren Membranvesikel mit einer niedrigen Saccharosekonzentration, die mitochondrialen inneren Membranvesikel mit einer hohen Saccharosekonzentration und die Kontaktstellen-haltigen Vesikel mit einer mittleren Saccharosekonzentration angereichert. Abkürzungen: MIM, mitochondriale Innenmembran; MOM, mitochondriale äußere Membran. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Erzeugung eines linearen Gradienten durch Zentrifugation. Zwei Stufengradienten (1,3 M, 1,13 M, dann 1,02 M, 0,96 M und 0,8 M in 20 mM MOPS und 0,5 mM EDTA, pH 7,4) wurden parallel hergestellt, und 1 ml 0,6 M Saccharose in 20 mM MOPS und 0,5 mM EDTA, pH 7,4, wurde auf beide Gradienten geladen. Die Gradienten wurden 12 h lang bei 200.000 x g und 4 °C zentrifugiert und in jeweils 17 Fraktionen geerntet. Die Reproduzierbarkeit der Methode wurde durch Bestimmung der Saccharosekonzentration der einzelnen Fraktionen der einzelnen Gradienten mit einem Refraktometer überprüft. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Isolierung von Proteinen an der Kontaktstelle mit einem wohldefinierten Ultraschallpuls. (A,B) Frisch isolierte Hefe-Mitochondrien wurden einer osmotischen Behandlung unterzogen und einer Beschallung ausgesetzt. Die erzeugten Vesikel wurden mittels Saccharose-Auftriebs-Dichtegradientenzentrifugation getrennt. Der Gradient wurde fraktioniert, und die Proteine in den verschiedenen Fraktionen wurden einer TCA-Fällung unterzogen. Die Verteilung der Markerproteine für die mitochondriale Außenmembran (Tom40), die mitochondriale Innenmembran (Tim17) und die Kontaktstellen (Mic60) wurde mittels Immunoblotting mit den angegebenen Antikörpern analysiert. (A) Milde Beschallung (4 x 30 s, 10% Amplitude) führte zu einer klaren Trennung der äußeren Membranproteine (Low-Density-Fraktionen) und der inneren Membranproteine (High-Density-Fraktionen). Zusätzlich wurde das Kontaktstellenprotein Mic60 erfolgreich in Fraktionen mittlerer Dichte angereichert. (B) Eine härtere Beschallung (4 x 30 s, 20% Amplitude) führte zur Erzeugung von Hybridvesikeln und ermöglichte somit keine klare Trennung der Kontaktstellen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
Mitochondriale Kontaktstellen sind Proteinkomplexe, die mit mitochondrialen inneren und äußeren Membranproteinen interagieren. Diese Stellen sind essentiell für die Kommunikation zwischen den mitochondrialen Membranen und damit zwischen dem Zytosol und der mitochondrialen Matrix. Hier beschreiben wir eine Methode zur Identifizierung von Kandidaten, die sich für diese spezifische Klasse von Proteinen qualifizieren.
Das M.E.H. bedankt sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), Projektnummer 413985647, für die finanzielle Unterstützung. Die Autoren danken Dr. Michael Kiebler, Ludwig-Maximilians-Universität München, für seine großzügige und umfangreiche Unterstützung. Wir danken Walter Neupert für seinen wissenschaftlichen Input, seine hilfreichen Diskussionen und seine kontinuierliche Inspiration. J.F. bedankt sich bei der Graduate School Life Science Munich (LSM) für die Unterstützung.
| 13,2 mL, Dünnwandiges Ultra-Clear-Rohr mit offenem Deckel, 14 x 89 mm | Beckman Instruments, Deutschland | 344059 | |
| 50 ml, Dickwandiges Rohr aus Polycarbonat mit offenem Deckel, 29 x 104 mm | Beckman Instruments, Deutschland | 363647 | |
| A-25.50 Festwinkelrotor - Aluminium, 8 x 50 ml, 25.000 U/min, 75.600 x g | Beckman Instruments, Deutschland | 363055 | Abbe-Refraktometer|
| Zeiss, Deutschland | eingestellt, jedes Abbe-Refraktometer kann verwendet werden | ||
| accu-jet pro Pipettierhilfe | Brandtech, USA | BR26320 | eingestellt, jede Pipettierhilfe reicht aus |
| Becher 1000 mL | DWK Life Science, Deutschland | C118.1 | |
| Branson Digitaler Sonifikator W-250 D | Branson Ultrasonics, USA | FIS15-338-125 | |
| Branson Ultraschall 3mm TAPERED MICROTIP | Branson Ultrasonics, USA | 101-148-062 | |
| Branson Ultrasonics 200- und 400-Watt-Sonifikatoren: Rosettenkühlzelle | Branson Ultrasonics, USA | 15-338-70 | |
| Zentrifuge Avanti JXN-26 | Beckman Instruments, Deutschland | B37912 | |
| Zentrifuge Optima XPN-100 ultra | Beckman Instruments, Deutschland | 8043-30-0031 | |
| cOmplete Proteaseinhibtor-Cocktail | Roche, Schweiz | 11697498001 | |
| D-Sorbit | Roth, Deutschland | 6213 | |
| EDTA (Ethylendiamin-tetraessigsäure Dinatriumsalz-Dihydrat) | Roth, Deutschland | 8043 | |
| Erlenmeyerkolben, 100 mL | Roth, Deutschland | X747.1 | |
| Messpipette, Kl. B, 25:0, 0.1 | Hirschmann, Deutschland | 1180170 | |
| Messpipette, Kl. B, 5:0, 0.05 | Hirschmann, Deutschland | 1180153 | |
| Eisbad | neoLab, Deutschland | S12651 | |
| Magnetrührer RCT basic | IKA-Werke GmbH, Deutschland | Z645060GB-1EA | |
| MOPS (3-(N-Morpholino)propansulfonsäure) | Gerbu, Deutschland | 1081 | |
| MyPipetman Select P1000 | Gilson, USA | FP10006S | |
| MyPipetman Select P20 | Gilson, USA | FP10003S | |
| MyPipetman Select P200 | Gilson, USA | FP10005S | |
| Omnifix 1 mL | Braun, Deutschland | 4022495251879 | |
| Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF) | Serva, Deutschland | 32395.03 | |
| STERICAN Kanüle 21 Gx4 4/5 0,8x120 mm | Braun, Deutschland | 4022495052414 | |
| Rührstab, 15 mm | VWR, USA | 442-0366 | |
| Saccharose | Merck, Deutschland | S8501 | |
| SW 41 Ti Schwingschaufelrotor | Beckman Instruments, Deutschland | 331362 | |
| Reagenzgläser | Eppendorf, Deutschland | 3810X | |
| Gewebeschleifer, Typ Potter-Elvehjem, 2 mL Glasgefäß | VWR, USA | 432-0200 | |
| Gewebeschleifer, Typ Potter-Elvehjem, 2 ml Kolben mit gezackter Spitze | VWR, USA | 432-0212 | |
| Trichloressigsäure ( TCA) | Sigma Aldrich, Deutschland | 33731 | eingestellt, jede TCA genügt (CAS: 73-03-9) |
| TRIS | Roth, Deutschland | 4855 |