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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
El protocolo describe el etiquetado específico de nucleoides mitocondriales con una mancha de gel de ADN disponible comercialmente, la adquisición de la serie time lapse de células etiquetadas en vivo mediante microscopía de iluminación estructurada de superresor resolución (SR-SIM) y el seguimiento automático del movimiento nucleoide.
Los nucleoides mitocondriales son partículas compactas formadas por moléculas de ADN mitocondrial recubiertas de proteínas. El ADN mitocondrial codifica los ARN, los ARN y varios polipéptidos mitocondriales esenciales. Los nucleoides mitocondriales se dividen y distribuyen dentro de la red mitocondrial dinámica que sufre fisión/fusión y otros cambios morfológicos. La microscopía de fluorescencia en vivo de alta resolución es una técnica sencilla para caracterizar la posición y el movimiento de un nucleoide. Para esta técnica, los nucleoides se etiquetan comúnmente a través de etiquetas fluorescentes de sus componentes proteicos, a saber, el factor de transcripción a (TFAM). Sin embargo, esta estrategia necesita sobreexpresión de una construcción etiquetada con proteínas fluorescentes, que puede causar artefactos (informados para TFAM) y no es factible en muchos casos. Los tintes orgánicos de unión al ADN no tienen estas desventajas. Sin embargo, siempre muestran manchas de ADN nucleares y mitocondriales, por lo que carecen de especificidad a los nucleoides mitocondriales. Al tener en cuenta las propiedades fisicoquímicas de estos tintes, seleccionamos una mancha de gel de ácido nucleico (SYBR Gold) y logramos el etiquetado preferencial de nucleoides mitocondriales en células vivas. Las propiedades del tinte, particularmente su alto brillo al unirse al ADN, permiten la cuantificación posterior del movimiento nucleocio mitocondrial utilizando series temporales de imágenes de iluminación estructurada de superresorción.
Las moléculas circulares de ADN de 16,5 kbp constituyen el material genético de las mitocondrias, codificando 22 tRNAs, 2 rRNAs y 13 polipéptidos necesarios para los complejos de fosforilación oxidativa mitocondrial. ADN mitocondrial unido al factor de transcripción mitocondrial a (TFAM) y varias otras proteínas forman los nucleoides mitocondriales1,2,3,4. Los nucleoides mitocondriales se mueven y redistribuyen entre los componentes de la red mitocondrial5,6 durante su remodelación morfológica, fisión o fusión dependiendo de la fase del ciclo celular, el estrés y otros factores (revisados en Pernas et al.7). Además, el movimiento de los nucleoides mitocondriales, está implicado en la enfermedad eritemológica del lupus sistémico8 y puede desempeñar un papel en otras enfermedades. La microscopía de fluorescencia es una técnica sencilla para los estudios de células vivas de orgánulos, pero la técnica tiene una resolución de >200 nm, que es mayor que el tamaño de los nucleoides mitocondriales (100 nm9,10,11,12). Este límite ha sido eludido por las técnicas denominadas "superresolución", como el agotamiento estimulado de las emisiones (STED) y la microscopía de localización de molécula única (SMLM)13,,14. Hasta ahora, los nucleoides mitocondriales y otros ADN fueron imageados en células vivas mediante microscopía directa de reconstrucción óptica estocástica (dSTORM)15. El STED observó estructuras submitocondriales finas con posiciones correlacionadas con el ADNs en células vivas16. Sin embargo, estas técnicas de super resolución requieren una alta intensidad de iluminación, lo que causa efectos fototóxicos en las células vivas17. Por lo tanto, la toma de imágenes de lapso de tiempo de nucleoides mitocondriales con resolución más allá del límite de difracción es un desafío. Para hacer frente a esto, utilizamos microscopía de iluminación estructurada de superror resolución (SR-SIM)18. SIM requiere una dosis de potencia de iluminación mucho menor que STED y SMLM19. Además, a diferencia de las técnicas STED y SMLM, SIM permite imágenes tridimensionales multicolores (3D) directas, y no requiere propiedades fotofísicas particulares de los fluoróforos ni de la composición del búfer de imágenes19.
La estrategia convencional para etiquetar nucleoides mitocondriales en células vivas es el etiquetado fluorescente de una proteína nucleoides mitocondrial, como TFAM20. Sin embargo, en muchos casos, esta estrategia no es adecuada. Además, la sobreexpresión de TFAM con etiqueta de proteína fluorescente produce un artefacto grave21. El etiquetado del ADN con tintes orgánicos tiene ventajas sobre una estrategia basada en proteínas fluorescentes (FP). Los tintes orgánicos están libres de restricciones relacionadas con el etiquetado de FP: se pueden utilizar para cualquier tipo de células o tejidos y se pueden aplicar en cualquier momento de un experimento. Se han notificado imágenes celulares vivas de nucleoides mitocondriales con varios tintes de unión al ADN: DAPI22,SYBR Green23,Vybrant DyeCycle24y picoGreen15,,25,,26. Un inconveniente sustancial de la mayoría de los tintes de unión al ADN para el etiquetado nucleoide es que manchan todo el ADN dentro de la célula. Dirigir un tinte únicamente al ADN mitocondrial es altamente deseable. Para lograrlo, es necesaria una cuidadosa selección de un tinte que posea propiedades fisicoquímicas adecuadas. Se sabe que los tintes lipofílicos que poseen carga positiva deslocalizada, como la rhodamine 123, se acumulan en las mitocondrias vivas, que preservan su potencial de membrana negativo. Además, un tinte ideal para el etiquetado específico de nucleoides mitocondriales debe unir el ADN con alta afinidad y emitir fluorescencia brillante al unirse al ADN. Teniendo en cuenta estos requisitos, ciertas cianinas son prometedoras (por ejemplo, picoGreen), pero el ADN nuclear está abundantemente manchado por estos tintes simultáneamente con ADN mitocondrial15,,25,,26. El presente protocolo describe el etiquetado específico de nucleoides mitocondriales en células vivas con otro tinte de cianina, SYBR Gold (SG), y el seguimiento de los nucleoides en videos SIM de superrescronidad de lapso de tiempo. Además, las células vivas teñidas de SG pueden ser imágenes por cualquier tipo de microscopio fluorescente invertido (confocal, disco giratorio, epifluorescencia, etc.) adecuado para células vivas y equipado con una fuente de luz de 488 nm.
NOTA: Todas las líneas celulares mencionadas aquí se cultivaron en el medio de águila modificada (DMEM) de Dulbecco alto de glucosa complementado con 10% de suero bovino fetal (FBS), glutamina, penicilina/estreptomicina y piruvato. Equilibrar todos los medios y suplementos que se utilizarán el día del etiquetado y la toma de imágenes calentándolos hasta 37 oC en una incubadora establecida en 5% de CO2. Todo el trabajo de cultivo celular, incluido el etiquetado, se lleva a cabo en condiciones estériles bajo una campana de flujo laminar.
1. Etiquetado de celdas en vivo
2. Adquisición de imagen SR-SIM
3. Procesamiento y análisis de datos
4. Adquisición de imagen confocal
Caracterización del etiquetado de células vivas con SG
En primer lugar, la distribución de SG en las células tras la incubación con el tinte en varias diluciones se caracterizó por microscopía confocal. Después de la incubación con altas concentraciones de SG o picoGreen, ambos tintes etiquetaron principalmente los núcleos y mostraron una tinción punctata en el citoplasma (Figura 1), de forma similar a los datos publicados para otro tinte de cianina cargado positivamente (es decir, picoGreen)15. Sin embargo, tras la incubación con SG a 1:10.000 dilución, aparecieron manchas débiles en los núcleos, mientras que en el citoplasma, observamos un patrón de manchas brillantes (Figura 1). Por otro lado, la incubación con tinte picoGreen diluido 1:10,000 produjo principalmente tinción nuclear. La señal SG era mucho más brillante que la de picoGreen en la misma concentración. Los datos mostraron que el SG es más adecuado para la toma de imágenes de ADN mitocondrial que otros tintes similares de unión al ADN.
Para confirmar que los puntos brillantes están localizados en las mitocondrias, manchamos las células vivas simultáneamente con SG y mancha mitocondrial roja. Este último es un tinte orgánico permeable celular cargado positivamente que se acumula en las mitocondrias de las células vivas. Tras la incubación con SG a las 1:10.000 y 1:50.000 diluciones, casi todas las tinciones SG ocurrieron en las mitocondrias, mientras que al etiquetar a las 1:500 y 1:1.000 diluciones, se produjo una tinción significativa de los núcleos y el citoplasma(Figura 2).
Además, caracterizamos el curso de tiempo de tinción de células vivas con SG por microscopía de lapso de tiempo (Figura 3). Las gráficas de intensidad de fluorescencia SG en las mitocondrias frente al tiempo (Figura 3B) sugirieron que después de 45 min, la tinción nucleoides estaba cerca de la saturación. Por lo tanto, recomendamos tiempos de incubación de 30–60 min.
Probamos cómo cambia la distribución intracelular SG tras la fijación y/o permeabilización de las células. La fijación (2% de paraformaldehído [PFA]) de las células manchadas en vivo causó una ligera redistribución del tinte al núcleo (Figura 4A,B). La permeabilización de las células fijas (0,1% Tritón X100) eliminó el patrón de puntos SG en las mitocondrias, y la tinción de los núcleos fue dominante (Figura 4C). Si el SG fue añadido a las células después de la fijación y la permeabilización, se distribuyó uniformemente a través del citoplasma y los núcleos (Figura 4D). Por lo tanto, las células etiquetadas SG se pueden fijar si es necesario, pero el tinte no es adecuado para protocolos que requieren permeabilización.
Seguimiento de SR-SIM de células vivas y nucleoides mitocondriales
Las células vivas costendidas con SG y una mancha mitocondrial roja(Tabla de materiales)fueron imágenes en 3D mediante una técnica SIM de superresorción. Al igual que en las imágenes confocales (Figura 2), los nucleoides mitocondriales aparecieron como puntos brillantes dentro de las mitocondrias (Figura 5A). Además, adquirimos una serie temporal de imágenes SIM 2D y rastreamos las posiciones de los nucleoides en una resolución más allá del límite de difracción. Inmediatamente antes de comenzar la serie temporal adquirimos pilas SIM 3D en el SG y los canales de tinción mitocondrial. Luego adquirimos una serie temporal en el canal SG solamente y rastreamos los nucleoides mitocondriales con el fin de cuantificar sus movimientos. La velocidad media de la pista fue de 0,042 m/s, y la velocidad instantánea máxima de la pista fue de 0,078 a 0,012 m/s. La mayoría de los nucleoides no desplazaron lejos de sus posiciones originales, pero mostraron movimientos aleatorios de corta distancia que probablemente se limitaban a la red mitocondrial, como sugiere una superposición de pistas en las imágenes mitocondriales (Figura 5B). Se produjeron pocos desplazamientos direccionales rápidos durante una serie temporal típica( Película 1).

Figura 1: Comparación del etiquetado de celdas vivas picoGreen y SG. Las células A549 fueron incubadas con picoGreen o SG en las diluciones indicadas y se fueron imagen. Campos de visión representativos de las celdas etiquetadas en el canal verde. LSM880 Airyscan FAST, objetivo 20x/aire, Barra de escala a 50 m. Secciones ópticas únicas. Los cuadrados blancos marcan las áreas que se muestran con un aumento más alto a la derecha de los campos de visión completos de 423 x 423 m. Para diluciones 1:1.000 y 1:2.000, las mismas imágenes se muestran en dos ajustes de brillo: los ajustes de brillo "predeterminados" optimizados para 1:10.000 dilución y los ajustes de "brillo reducido" ajustados para evitar la saturación del detector. Esta cifra ha sido modificada de Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Localización SG en células vivas tras el etiquetado a diferentes concentraciones. Las células de HeLa se incubaron durante 30 min con una mezcla de 0,25 m de Mitotracker CMXRos Red y la dilución SG indicada. La solución fue reemplazada por DMEM, y las imágenes fueron adquiridas en un microscopio LSM880 Airyscan, objetivo de aceite 63x 1.4, con una adquisición secuencial de canales de color. Se muestran las rebanadas ópticas individuales Barra de escala a 10 m). Esta cifra ha sido modificada de Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Células de HeLa durante el etiquetado con SYBR Gold (SG). En primer lugar, las células heLa vivas fueron etiquetadas con Mitotracker CMXRos Red y lavadas. SG (dilución final 1:10,000 en DMEM) se añadió a las células y se adquirió una serie de lapso de tiempo. Microscopio LSM880, objetivo de 63x 1.4 Objetivo de aceite, adquisición secuencial. Las pilas Z se adquirieron en cada momento. Se muestran las proyecciones de intensidad máxima. (A) Intensidades medias de fluorescencia SG a lo largo del tiempo en varias regiones de interés. (B) Campos de visión representativos que muestran las regiones de interés en las que se midió la fluorescencia SG (rectángulos de color). (C) Un campo de visión en varios momentos durante la incubación con SG. Una región cuadrada marcada con línea blanca se muestra en un aumento más alto en la columna derecha. Esta cifra ha sido modificada de Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Efecto de la fijación y permeabilización en la localización SG en las células. Las células de HeLa se tiñeron con SG (stock diluido 1:10,000) y Mitotracker CMXRos Red (0,25 oM) durante 30 min. Se adquirieron rebanadas ópticas individuales en un microscopio de disco giratorio; adquisición secuencial; barra de escala a 10 m. (A) Células HeLa vivas teñidas con SG. (B) Células HeLa vivas teñidas con SG y luego fijadas con 2% de PFA en PBS durante 30 min. (C) Células HeLa vivas teñidas con SG, luego fijadas con 2% de PFA en PBS durante 30 min y permeabilizadas con 0.1% Tritón X100 durante 15 min. En el panel inferior, se muestra la misma imagen, pero el brillo en el canal verde se establece más alto. (D) Células HeLa fijadas con 2% de PFA, permeabilizadas con 0.1% Tritón X100 durante 15 min, y luego teñidas con SG y Mitotracker CMXRos Red. Para adquirir las imágenes mostradas en (D), la ganancia de EMCCD de la cámara para el canal verde se redujo en un factor de 12 en comparación con A-C para evitar sobreexposición. Esta cifra ha sido modificada de Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Seguimiento de nucleoides en imágenes SIM en vivo. Imágenes representativas de un campo de visión de las células manchadas SG. Parte inferior: la imagen SIM de dos colores tomada antes de la adquisición de la serie time lapse. Verde - Canal SG; magenta - canal mitotracker. Arriba: pistas nucleoides de una serie de tiempo SIM de 50 fotogramas en el canal SG (Película 1); tiempo de fotogramas a 1,8 s; seguimiento por el software Imaris 8.4.1. Las orugas están codificadas por colores por la velocidad máxima de la pista (m/s); Elyra PS.1, modo SIM, objetivo de 100x/1.46 Oil; Barra de escala a 10 m. Esta cifra ha sido modificada de Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Película 1: Serie de lapso de tiempo SIM que muestra celdas representativas manchadas de SG. Barra de escala a 5 m. Los nucleoides mitocondriales detectados están marcados como esferas blancas. Las pistas se visualizan como "colas de dragón" (longitud de 8 fotogramas) y codificadas por colores de acuerdo con sus velocidades instantáneas máximas (la barra de color en la parte inferior derecha muestra las velocidades en m/s). Seguimiento y visualización de nucleoides mitocondriales por el software Imaris 8.4.1. Este video ha sido publicado en Jevtic et al.27. Haga clic aquí para ver este video (Haga clic con el botón derecho para descargar).
Los autores no tienen nada que revelar.
El protocolo describe el etiquetado específico de nucleoides mitocondriales con una mancha de gel de ADN disponible comercialmente, la adquisición de la serie time lapse de células etiquetadas en vivo mediante microscopía de iluminación estructurada de superresor resolución (SR-SIM) y el seguimiento automático del movimiento nucleoide.
Los autores reconocen a Asifa Akhtar y Angelika Rambold (Instituto Max Planck de Inmunobiología y Epigenética) por proporcionar células de HeLa.
| Elyra PS1 | Carl Zeiss | que contiene módulo para microscopía de iluminación estructurada de superresolución (SR-SIM) | |
| DMEM de alta glucosa | GIBCO/ThermoFisher | 31966021 | |
| plato ibidi de 35 mm, fondo de cristal | Ibidi Gmbh | 81158 | |
| ibidi microSlide de 8 pocillos, fondo de cristal | Ibidi Gmbh | 80827 | |
| Paquete de software de visualización y procesamiento de imágenes | Imaris 8.4.1 | Bitplane/Oxford Instruments | |
| iXon 885 | Andor Technologies | con sensor retroiluminado | |
| LSM880 Airyscan | Carl Zeiss | Microscopio confocal de barrido láser con detector de matrices | |
| Mitotracker CMXRos Red | ThermoFischer | M7512 | glóbulos rojos mitocondriales tinción |
| Mitotracker Deep Red FM | ThermoFischer | M22426 | rojo lejano tinción mitocondrial de células vivas |
| picoGreen | ThermoFischer | P7581 | tinción de ADN permeada |
| celular Plan Apochromat 100x/1.46 Objetivo de aceite | Carl Zeiss | ||
| SYBR Gold | ThermoFischer | S11494 | tinción de ADN permeable celular |
| Zen Black 2012 software | Carl Zeiss | Software de adquisición y procesamiento de imágenes |