Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen, wie z. B. der Zellatmung zur Energiegewinnung, dem Nahrungsstoffwechsel und dem Zelltod1. Die Fehlfunktion der Mitochondrien hängt mit Gehirn-, Muskel- und Entwicklungserkrankungen zusammen 2,3. Daher sind Studien an Mitochondrien von entscheidender Bedeutung, um das Altern und die Gesundheit des Menschen zu verbessern.
Die knospende Hefe Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) wird seit langem verwendet, um die Funktionen von Genen in Mitochondrienzu untersuchen 4 , da Hefemutanten, die bei der Atmung defekt sind, durch Fermentation immer noch Energie für das Überleben produzieren können. Es ist jedoch petit-positiv und kann sich ohne mitochondriale DNA (mtDNA) vermehren. Infolgedessen verlieren die Genmutanten, die bei der mitochondrialen Genexpression defekt sind, häufig ihre mtDNA, was weitere Untersuchungen erschwert. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), die evolutionär von S. cerevisiae entfernt ist, um eine zierlich-negative Hefe, die mtDNA zum Überleben benötigt. Darüber hinaus ist die Organisation der mtDNA und der mitochondrialen mRNA von S. pombe ähnlich wie bei höheren Eukaryoten5. Viele (96) essentielle Gene in S. pombe, verglichen mit nur sechs essentiellen Genen in S. cerevisiae, sind für die mitochondriale Genexpression erforderlich6. Damit entwickelt sich S. pombe zu einem attraktiven Modell, um neue Funktionen von Genen in Mitochondrien zu untersuchen. Die Anzahl der Publikationen, die Mitochondrien bei S. cerevisiae untersuchen, ist jedoch etwa 100-mal höher als die bei S. pombe, und die berichteten Methoden und Protokolle zur Untersuchung der Mitochondrien bei S. pombe sind ebenfalls rar7.
Die mitochondriale Atmungskette ist entscheidend für die zelluläre Energieproduktion und dient als Kern der Mitochondrien8. Es umfasst Atmungskettenkomplexe I-V, wie NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I), Succinatdehydrogenase (Komplex II), Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase oder Cytochrom-bc1-Komplex (Komplex III), Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV) und ATP-Synthase (Komplex V), zusammen mit zwei elektronentragenden Zwischensubstraten, Ubichinon (CoQ) und Cytochrom c (Cyt c)9 . Sie interagieren auch und bilden Superkomplexe höherer Ordnung, deren Aufbaumechanismen weitgehend unklar sind10,11. S. pombe fehlt jedoch der Komplex I, der durch externe NADH-Dehydrogenasen Nde1 und interne Ndi1 ersetzt werdenkann 12,13,14. Das mitochondriale Genom in S. pombe kodiert für eine Untereinheit des Komplexes III (Cob1), drei Untereinheiten des Komplexes IV (Cox1, Cox2, Cox3) und drei Untereinheiten des Komplexes V (Atp6, Atp8, Atp9)15,16. Wir haben kürzlich berichtet, dass die Expression und die Assemblierung der Komplexe dieser Proteine durch die Deletion der RNA-Helikase Mss116 (Δmss116)16 bzw. des Assemblierungsfaktors Shy1 (Δshy1)15 in S. pombe beeinflusst werden. Um die Entdeckung weiterer neuer Funktionen von Genen in der mitochondrialen Atmungskette mit diesen Methoden zu erleichtern, stellen wir hier ein detailliertes Protokoll für die SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE) Analyse der Expressionsniveaus und die Blue Native-PAGE (BN-PAGE) Analyse der komplexen Assemblierung der mitochondrialen Atmungskettenproteine in S. pombe zur Verfügung.
Die Begründung für die Isolierung von Mitochondrien aus S. pombe basiert auf den in S. cerevisiae17 etablierten Methoden. Die Sphäroplasten werden zunächst durch Verdauung von Hefezellwänden hergestellt. Sie werden mechanisch homogenisiert, und die Mitochondrien werden durch Differenzialzentrifugationfraktioniert 18. Anschließend werden die Proteine der mitochondrialen Atmungskette nach SDS-PAGE und BN-PAGE solubilisiert und immunblottiert. Die BN-PAGE-Technik wurde ursprünglich für die Trennung von mitochondrialen Membranproteinen wie Atmungskettenkomplexenentwickelt 19,20,21. Die Membranproteine mit konservierten intakten Komplexen werden durch milde nichtionische Detergenzien solubilisiert und mit dem anionischen Farbstoff Coomassie G-250 aufgeladen. So werden Proteinkomplexe nach ihrer Masse in einem Gradienten-native-PAGE-Gel22 getrennt. Diese Methode wurde häufig zur Untersuchung mitochondrialer Atmungskettenkomplexe in S. cerevisiae23 und Säugetierzellen24,25 eingesetzt; es wurde jedoch nicht ausgiebig auf S. pombe-Mitochondrien angewendet.
Zusammenfassend stellen wir hier eine Methode vor, bei der Mitochondrien aus S. pombe-Zellen isoliert werden und die mitochondrialen Proteine der Atmungskette SDS-PAGE und BN-PAGE unterzogen werden, gefolgt von Immunblotting. Das experimentelle Flussdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Mit hochwertigen Mitochondrien und Antikörpern kann diese in S. pombe beschriebene Methode auch auf andere Organismen angewendet werden, um mehr Gene mit Funktionen in der Expression und/oder Komplexassemblierung von mitochondrialen Atmungskettenproteinen zu identifizieren.