Die Wechselwirkungen zwischen dem ER und den Mitochondrien sind entscheidend für die zelluläre Homöostase und das Überleben 1,2,3,4. Frühere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass jede Art von Störung oder Dysregulation in den Kontaktstellen der ER-Mitochondrien zu verschiedenen neurodegenerativen, metabolischen und kardiovaskulären Erkrankungen sowie zu Krebs beitragenkann 5,6,7,8,9,10. Zum Beispiel kann eine abnormale Erhöhung der Ca2+-Aufnahme in die Mitochondrien zum Zelltod führen, indem sie die Übergangsporen der Mitochondrien-Permeabilität öffnet, was in einigen Modellen der Alzheimer-Krankheit häufig zu beobachten ist 5,11. In ähnlicher Weise können reduzierte ER-Mitochondrien-Kontakte zu einer Abnahme der ATP-Produktion und einer Beeinträchtigung der Ca2+-Aufnahme führen, wie in Modellen der amyotrophen Lateralsklerosebeobachtet 5,11,12. Da immer mehr Studien im Bereich der ER-Mitochondrien-Kontakte durchgeführt werden, werden weitere krankheitsbezogene Proteine und Gene entdeckt, die diese Kontakte beeinflussen könnten. Trotz des derzeitigen Wissens und der Beweise, die die Rolle der Kontaktstellen zwischen ER und Mitochondrien belegen, ist noch viel Arbeit erforderlich, um aufzuklären, wie diese Kontakte zum Verlust der Zellfunktion und letztendlich zum Zelltod führen könnten.
Es wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Nähe der beiden Membranen, die strukturelle Morphologie und den Abstand zwischen den beiden Organellenkontaktstellen zu bewerten 3,4,13. Die Ansätze zur Überwachung der ER-Mitochondrien-Kopplung umfassen die auf Fluoreszenzmarkern basierende Bildgebung14,15, die FRET-Reporter-basierte Bildgebung16 und die auf Split-Fluoreszenzsonden basierende Bildgebung17,18, die Epifluoreszenz und konfokale Mikroskopie verwenden. Die hochauflösende und atomare Auflösungsmikroskopie ist ebenfalls ein leistungsfähiges Werkzeug für die genaue Visualisierung von Kontakten zwischen Organellen, obwohl ihr Einsatz in der Kontaktstellenanalyse noch begrenzt ist, da sie hochspezialisierte Mikroskope und technisches Know-how erfordert19. Darüber hinaus werden die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), die Rasterelektronenmikroskopie (REM) und andere EM-Techniken wie Elektronentomographie (ET) und Kryo-Elektronenmikroskopie häufig eingesetzt, da sie eine hochauflösende ultrastrukturelle Abbildung der Kontaktstellen ermöglichen, die mit anderen experimentellen Ansätzen oft nicht zu erforschen sind 20,21,22. Bei diesen EM-basierten Methoden handelt es sich jedoch um eine Technik mit sehr geringem Durchsatz, die auch durch chemische Fixierungsverfahren beeinträchtigt werden kann. In jüngerer Zeit wurden auf Proximity-Labeling basierende Methoden verwendet, um Kontaktstellen zu detektieren und neue Proteine an Kontaktstellen zu identifizieren. Zum Beispiel wurde der Proximity-Ligation-Assay (PLA) verwendet, um die Organellennähe zu quantifizieren23,24, während eine überarbeitete Version des Ascorbatperoxidase-Assays (APEX) zur Identifizierung neuer Proteine an der Kontaktstelleverwendet wurde 25,26. Es ist wichtig zu erkennen, dass alle diese oben beschriebenen Methoden Stärken und intrinsische Grenzen bei der Erkennung der Kontakte zwischen den Organellen haben. Daher ist die Kombination verschiedener Techniken erforderlich, um eine gründliche Interpretation der Kontaktstellen der Organellen zu erhalten.
Zuvor haben wir den Split-Renilla-Luciferase 8-Reassemblierungsassay (split-R luc-Assay) etabliert, um den Grad der ER-Mitochondrien-Membrankontakte zu überwachen (Abbildung 1A)24,26,27. Kurz gesagt, jede gespaltene Hälfte der Renilla-Luciferase ist mit einer ER- oder Mitochondrien-Targeting-Sequenz konjugiert. Wenn sie zusammen transfiziert werden, wird jede gespaltene Hälfte des Enzyms entweder in der ER- oder in der Mitochondrienmembran exprimiert. Wenn das ER und die Mitochondrien in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert sind, kommen die gespaltenen Hälften zusammen und rekonstituieren das gesamte Enzym mit Luciferase-Aktivität. Für das split-R luc-Konstrukthaben wir Renilla luciferase 8 (Rluc8) in pBAD/Myc-His27 als initiale Vorlage verwendet. Die Spaltstelle (zwischen den Aminosäuren 91 und 92) wurde auf der Grundlage früherer Berichtebestimmt 27. Für die N-terminale Hälfte des Rluc8 wurden DNA-Sequenzen für die Aminosäuren 1-91 des Rluc8 mit dem 3'-Ende des FLAG-Tags und die mitochondriale AKAP1-Targeting-Sequenz der Maus im pcDNA3.1 TOPO-Vektor mittels PCR27 fusioniert. Für die C-terminale Hälfte, die auf das ER abzielt, wurden DNA-Sequenzen, die für die Aminosäuren 92-311 kodieren, mit dem 5'-Ende des myc-Tags und der UBC6-ER-Lokalisationssequenz der Hefe fusioniert. Hier haben wir das Split-R-luc-Plasmid-Konstruktso verbessert, dass gespaltene Hälften der Renilla-Luziferase in einem einzigen Vektor (pCAG) unter demselben Promotor exprimiert und anschließend in zwei Fragmente gespalten werden, wenn T2A, eine selbstspaltende Peptid-2A-Sequenz aus dem Thosea asigna-Virus, zwischen den beiden gespaltenen Hälften eingefügt wird (Abbildung 1B). Die Plasmid-DNA-Karte und die Sequenzen sind in der ergänzenden Datei 1 und der ergänzenden Abbildung S1 enthalten. Mit diesem System haben wir die Auswirkungen von drei Chemikalien (die GTPasen hemmen, die an der Aktinpolymerisation beteiligt sind) auf ER-Mitochondrien-Kontakte gemessen. Dieser split-R luc-Assayist ein einfaches, aber robustes Assay-System für das Hochdurchsatz-Screening von Interorganellen-Kontaktmodulatoren24.