In dieser Arbeit stellen wir ein hochauflösendes Respirometrie-Protokoll zur Analyse der Bioenergetik in PINK1 B9-Null-mutierten Fruchtfliegen vor. Die Methode verwendet das SUIT-Protokoll (Substrate-Uncoupler-Inhibitor-Titration).
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In dieser Arbeit stellen wir ein hochauflösendes Respirometrie-Protokoll zur Analyse der Bioenergetik in PINK1 B9-Null-mutierten Fruchtfliegen vor. Die Methode verwendet das SUIT-Protokoll (Substrate-Uncoupler-Inhibitor-Titration).
Neurodegenerative Erkrankungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit (PD), und zelluläre Störungen wie Krebs sind einige der Erkrankungen, die den Energiestoffwechsel stören und die mitochondrialen Funktionen beeinträchtigen. Mitochondrien sind Organellen, die sowohl den Energiestoffwechsel als auch zelluläre Prozesse steuern, die am Überleben und Tod von Zellen beteiligt sind. Aus diesem Grund können Ansätze zur Bewertung der mitochondrialen Funktion wichtige Erkenntnisse über zelluläre Zustände in pathologischen und physiologischen Prozessen liefern. In diesem Zusammenhang ermöglichen hochauflösende Respirometrie-Protokolle (HRR) die Bewertung der gesamten mitochondrialen Atmungskettenfunktion oder der Aktivität spezifischer mitochondrialer Komplexe. Darüber hinaus erfordert die Untersuchung der mitochondrialen Physiologie und Bioenergetik genetisch und experimentell handhabbare Modelle wie Drosophila melanogaster.
Dieses Modell bietet mehrere Vorteile, wie z. B. seine Ähnlichkeit mit der menschlichen Physiologie, seinen schnellen Lebenszyklus, seine einfache Wartung, seine Kosteneffizienz, seine hohe Durchsatzleistung und eine minimierte Anzahl ethischer Bedenken. Diese Eigenschaften machen es zu einem unschätzbaren Werkzeug zur Analyse komplexer zellulärer Prozesse. In der vorliegenden Arbeit wird erläutert, wie die Funktion der Mitochondrien mit Hilfe der Drosophila melanogaster PINK1 B9-null-Mutante analysiert werden kann. Das pink1-Gen ist für die Kodierung der PTEN-induzierten putativen Kinase 1 verantwortlich, und zwar durch einen Prozess, der als Mitophagie bezeichnet wird und für die Entfernung dysfunktionaler Mitochondrien aus dem mitochondrialen Netzwerk entscheidend ist. Mutationen in diesem Gen wurden mit einer autosomal-rezessiven, früh einsetzenden familiären Form der Parkinson-Krankheit in Verbindung gebracht. Dieses Modell kann verwendet werden, um die mitochondriale Dysfunktion zu untersuchen, die an der Pathophysiologie der Parkinson-Krankheit beteiligt ist.
Mitochondrien sind zelluläre Organellen, die wichtige Funktionen steuern, darunter die apoptotische Regulation, die Kalziumhomöostase und die Beteiligung an Biosynthesewegen. Durch den Besitz von autonomem Erbgut sind sie in der Lage, zu zellulären Erhaltungs- und Reparaturprozessen beizutragen. Ihre Struktur beherbergt die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung, die beide für die zelluläre Energie entscheidend sind 1,2,3. Insbesondere wird die Energiekontrolle durch die Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) durch oxidative Phosphorylierung (OXPHOS)2 erreicht. Eine Störung des Energiestoffwechsels mit Beeinträchtigung der mitochondrialen Funktionen tritt sowohl beim Überleben als auch beim Tod der Zellen auf 4,5 und ist häufig mit einer Vielzahl von menschlichen Pathologien wie Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit (PD) verbunden3,6.
Parkinson ist eine chronische, fortschreitende und neurologische Erkrankung. Die Hauptursache für diese Krankheit ist das Absterben von Gehirnzellen, insbesondere in der Substantia nigra, die für die Produktion des Neurotransmitters Dopamin verantwortlich sind, der die Bewegung steuert 6,7,8. Die früheste Beobachtung, die Parkinsonismus mit mitochondrialer Dysfunktion in Verbindung brachte, wurde 1988 in experimentellen Modellen gemacht, in denen Toxine verwendet wurden, die den Atmungskettenkomplex I9 hemmen.
Derzeit gibt es mehrere Methoden zur Bewertung der mitochondrialen Dysfunktion 10,11,12,1 3; Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen bietet die hochauflösende Respirometrie (HRR) jedoch eine überlegene Sensitivität und Vorteile13,14. HRR-Protokolle ermöglichen beispielsweise die Bewertung der gesamten mitochondrialen Atmungskettenfunktion oder der Aktivität spezifischer mitochondrialer Komplexe 14,15. Mitochondriale Dysfunktionen können in intakten Zellen, isolierten Mitochondrien oder sogar ex vivo beurteilt werden 10,11,13,14.
Mitochondriale Dysfunktionen sind eng mit vielen pathologischen und physiologischen Prozessen verbunden. Daher ist es wichtig, die mitochondriale Physiologie und Bioenergetik mit Hilfe genetisch und experimentell behandelbarer Modellsysteme zu untersuchen. In dieser Hinsicht hat die Forschung an Drosophila melanogaster, der Fruchtfliege, mehrere Vorteile. Dieses Modell teilt grundlegende zelluläre Eigenschaften und Prozesse mit dem Menschen, einschließlich der Verwendung von DNA als genetischem Material, gemeinsamen Organellen und konservierten molekularen Signalwegen, die an der Entwicklung, der Immunität und der Zellsignalisierung beteiligt sind. Darüber hinaus haben Fruchtfliegen einen schnellen Lebenszyklus, eine einfache Wartung, niedrige Kosten, einen hohen Durchsatz und weniger ethische Bedenken, was sie zu einem unschätzbaren Werkzeug für die Analyse komplexer zellulärer Prozesse macht 16,17,18,19,20.
Darüber hinaus wird ein Homolog des PTEN-induzierten putativen Kinase-1-Gens (pink1) in D. melanogaster exprimiert. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Entfernung beschädigter Mitochondrien durch den Prozess der Mitophagie8. Beim Menschen prädisponieren Mutationen in diesem Gen Personen für eine autosomal-rezessive familiäre Form der Parkinson-Erkrankung, die mit einer mitochondrialen Dysfunktion assoziiertist 8,21,22,23. Folglich ist die Fruchtfliege ein leistungsfähiges Tiermodell für Studien zur Pathophysiologie von Parkinson und zum Screening von Wirkstoffkandidaten mit Schwerpunkt auf mitochondrialer Dysfunktion und Bioenergetik. Daher wird in der vorliegenden Arbeit erläutert, wie die mitochondriale Funktion in einem Modell der Parkinson-Krankheit von D. melanogaster unter Verwendung der HRR-Technik im OROBOROS mit dem Substrate-Uncoupler-Inhibitor-Titration (SUIT)-Protokoll analysiert werden kann.
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Wir verwendeten die Sorten w1118 (weiß) und w[*] Pink1[B9]/FM7i, P{w[+mC]=ActGFP}JMR3 (bezeichnet als Pink1B9) (FlyBase ID: FBgn0029891) aus dem Bloomington Drosophila Stock Center (ID-Nummer: 34749). In dieser Studie werden männliche D. melanogaster PINK1 B9-null-Mutanten mit männlichen D. melanogaster aus dem Stamm w1118 verglichen, der als Kontrollgruppe verwendet wird (genetischer Hintergrund). Andere Parameter müssen gleichzeitig mit den Respirometrie-Experimenten analysiert werden, um sicherzustellen, dass die Fliegen den richtigen Genotyp (Pink1B9/Y) haben, wie z. B. Thoraxdeformitäten und Fortbewegungsprobleme, die für pink1B9-mutierte Fliegen gut beschrieben sind 24,25,26.
1. Tiere und Unterbringung
2. Probenvorbereitung
3. Hochauflösende respirometrische Kalibrierung von polarographischen Sauerstoffsensoren
HINWEIS: Die OROBOROS-Kammern haben ein Gesamtvolumen von ca. 2 ml. Eine Kalibrierung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass der Sauerstofffluss nahe 0 pmol liegt, um den Assay zu starten.
4. SUIT-Protokoll
5. Datenanalyse
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Hier zeigen wir, dass derO2-Fluss in den Zuständen OXPHOS CI (P = 0,0341) und OXPHOS CI&II (P = 0,0392) in PINK1B9 Nullfliegen im Vergleich zu Kontrollfliegen reduziert ist (Abbildung 4). Dieses Ergebnis wurde auch in früheren Befunden aus unserer Gruppe29,30 beobachtet.
CI und CII sind Schlüsselkomponenten des Elektronentransportsystems (ETS), in dem CI ...
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HRR ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung der mitochondrialen Atmung und des Energiestoffwechsels in D. melanogaster und anderen Organismen. Es bietet eine detaillierte und quantitative Bewertung der mitochondrialen Funktion, die es den Forschern ermöglicht, Einblicke in die Bioenergetik der Zellen zu gewinnen. Das hier vorgestellte Protokoll beschreibt die Bewertung der Funktion der mitochondrialen Atmungskette und der Aktivität spezifischer mitochondrialer Komplexe unter Verwendung des SUIT-Protoko...
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Die Autoren erklären, dass es keine konkurrierenden Interessen gibt.
Die Autoren danken der brasilianischen Agentur Coordenação de Aperfeiçoamento de Pesquisa Pessoal de Nível Superior (CAPES EPIDEMIAS 09 #88887.505377/2020). P.M. (#88887.512821/2020-00) und T.D. (#88887.512883/2020-00) sind Stipendiaten.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| ADP | Sigma-Aldrich | A5285 | Adenosin-5′-diphosphat sodium sal (CAS-Nummer 72696-48-1); ≥ 95%; Molekulargewicht = 501,31 g/mol. |
| &Aakut; gar | Kasv | K25-1800 | Zur bakteriologischen Anwendung |
| Antimycin-A | Sigma-Aldrich | A8674 | Antimycin A aus Streptomyces sp. (CAS-Nummer 1397-94-0); Molekulargewicht & nbsp; 540 g/mol; |
| Rinderserumalbumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A7030 | Rinderserumalbumin (CAS-Nummer 9048-46-8); pH 7,0 ≥ 98% |
| Datlab software | Oroboros Instruments, Innsbruck, Österreich | 20700 | Software zur Datenerfassung und -analyse |
| Digitonin | Sigma-Aldrich | D 5628 | CAS-Nummer 11024-24-1 |
| Destilliertes Wasser | |||
| Drosophila melanogaster Stamm w[*] Pink1[B9]/FM7i, P{w[+mC]=ActGFP}JMR3 | Gewonnen aus Bloomington Drosophila | ||
| StammcenterDrosophila melanogaster Stamm w1118 | Erhalten von der Federal University of Santa Maria | ||
| EGTA | Sigma-Aldrich | E8145 | Ethylenglykol-bis(2-aminoethylether)-N,N,N',N'-Tetraessigsäure (CAS-Nummer 13638-13-3); ≥ 97%; Molekulargewicht = 468,28 g/mol |
| FCCP | Sigma-Aldrich | C2920 | Carbonylcyanid 4- (trifluormethoxy)phenylhydrazon (CAS-Nummer 370-86-5); ≥ 98% (TLC), Pulver |
| GraphPad Prism Version 8.0.1. | Software zur Datenerfassung und -analyse | ||
| Hepes | Sigma-Aldrich | H4034 | 4-(2-Hydroxyethyl)piperazin-1-ethansulfonsäure (CAS-Nummer 7365-45-9); ≥ 99,5% (Titration), zellkultiviert getestet; Molekulargewicht = 238,30 g/mol |
| Hochauflösendes Respirometer Oxygraph O2K | Oroboros Instruments, Innsbruck, Österreich | 10022-02 | Startup O2K Respirometer Kit |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5379 | Monokaliumphosphat (CAS-Nummer 7778-77-0); Reagenz Plus, molekulares Gewicht = 136,09 g/mol |
| KOH | Sigma-Aldrich | 211473 | Kaliumhydroxid (CAS-Nummer 1310-58-3); ACS-Reagenz, ≥ 85%, Pellets |
| Malat | Sigma-Aldrich | M1296 | Malonsäure (CAS-Nummer 141-82-2); 99%, Molekulargewicht = 104,06 g/mol). Eine Lösung wird auf einen pH-Wert von ca. 7,0 eingestellt. |
| Apfelsäure | Sigma-Aldrich | M1000 | (S)-(−)-2-Hydroxybernsteinsäure (CAS-Nummer 97-67-6); ≥ 95% ; Molekulargewicht = 134,09 g/mol |
| MES | Sigma-Aldrich | M3671 | 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure (CAS-Nummer 4432-31-9); ≥ 99% (Titration); Molekulargewicht = 195,24 g/mol |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | Magnesiumchlorid (CAS-Nummer 7786-30-3); wasserfrei, ≥ 98%, Molekulargewicht = 95,21 g/mol |
| Mikrozentrifugenröhrchen | Eppendorf | ||
| O2K-Titration Set | Oroboros Instruments, Innsbruck, Österreich | 20820-03 | Hamilton Spritzen mit unterschiedlichen Volumina |
| Oligomycin | Sigma-Aldrich | O 4876 | Oligomycin aus Streptomyces diastatochromogenes (CAS-Nummer 1404-19-9); ≥ 90 % Gesamt-Oligomycin-Basis (HPLC) |
| Stempel zur Homogenisierung | |||
| Prolin | Sigma-Aldrich | P0380 | L-Prolin (CAS-Nummer 147-85-3); Pulver; 99 %; Molekulargewicht = 115,13 g/mol |
| Pyruvat | Sigma-Aldrich | P2256 | Natriumpyruvat (CAS-Nummer 113-24-6), ≥ 99%; Molekulargewicht = 110,04 g/mol |
| Rotenon | Sigma-Aldrich | R8875 | Roteton (CAS-Nummer 83-79-4); ≥ 95%, Molekulargewicht 394,42 g/mol |
| Succinat | Sigma-Aldrich | S 2378 | Natriumsuccinat zweibasisches Hexahydrat (CAS-Nummer 6106-21-4); ≥ 99% |
| Saccharose | Merck | 107.651.000 | Saccharose für die Mikrobiologie (CAS-Nummer 57-50-1) |
| Taurin | Sigma-Aldrich | T0625 | CAS-Nummer 107-35-7 |
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