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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentamos un protocolo de dos pasos para el aislamiento de mitocondrias de alta calidad que es compatible con el descubrimiento y cuantificación de proteínas a escala de proteoma. Nuestro protocolo no requiere ingeniería genética y, por lo tanto, es adecuado para estudiar las mitocondrias de cualquier célula y tejido primario.
La mayoría de los procesos fisiológicos y de enfermedad, desde el metabolismo central hasta la respuesta inmune a la neurodegeneración, involucran mitocondrias. El proteoma mitocondrial está compuesto por más de 1.000 proteínas, y la abundancia de cada una puede variar dinámicamente en respuesta a estímulos externos o durante la progresión de la enfermedad. Aquí, describimos un protocolo para aislar mitocondrias de alta calidad de células y tejidos primarios. El procedimiento de dos pasos comprende (1) homogeneización mecánica y centrifugación diferencial para aislar las mitocondrias crudas, y (2) captura inmune sin etiquetas de las mitocondrias para aislar orgánulos puros y eliminar contaminantes. Las proteínas mitocondriales de cada etapa de purificación se analizan mediante espectrometría cuantitativa de masas y se calculan los rendimientos de enriquecimiento, lo que permite el descubrimiento de nuevas proteínas mitocondriales mediante proteómica sustractiva. Nuestro protocolo proporciona un enfoque sensible e integral para estudiar el contenido mitocondrial en líneas celulares, células primarias y tejidos.
Las mitocondrias son orgánulos complejos y dinámicos capaces de detectar y adaptarse a las necesidades metabólicas de la célula. Central a la complejidad del metabolismo celular, las mitocondrias actúan como centros metabólicos donde convergen las reacciones de carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y metabolismo de cofactores1. También sirven como orgánulos de señalización para las vías de la respuesta inmune innata y en respuesta a los cambios en los iones y las especies reactivas de oxígeno 2,3. Hasta la fecha, alrededor de 1.100 proteínas han sido mapeadas a las mitocondrias 4,5,6, sin embargo, podemos suponer que muchas más aún no se han descubierto, especialmente aquellas expresadas solo en ciertos tipos de células o transitoriamente bajo condiciones ambientales específicas. El desarrollo de nuevos enfoques para cuantificar los cambios en la composición mitocondrial en los estados metabólicos de interés aumentará nuestro conocimiento de estos orgánulos y destacará nuevas vías terapéuticas para los trastornos caracterizados por la disfunción mitocondrial7.
Actualmente, se dispone de diferentes protocolos de aislamiento de mitocondrias, con diferentes rendimientos y niveles de pureza8. Los enfoques basados en la centrifugación son los más populares, debido a su simplicidad y bajo costo. Aunque es adecuada para la mayoría de las aplicaciones, la centrifugación diferencial tiene la desventaja de obtener una menor pureza mitocondrial y requerir grandes cantidades de material de partida cuando se utilizan aplicaciones más complejas basadas en gradiente de densidad. En los últimos años, han surgido nuevos métodos para el aislamiento de mitocondrias, como la captura inmune basada en etiquetas ("MITO-IP")9 y la clasificación de orgánulos activados por fluorescencia10. Aunque ambos procedimientos pueden generar muestras con alta pureza, el primero requiere ingeniería genética para etiquetar las mitocondrias para la purificación de afinidad, lo que hace que los protocolos sean incompatibles con el material primario de organismos no modificados o donantes humanos. Mientras tanto, este último depende del acceso a la citometría de flujo y los instrumentos de clasificación. La combinación de diferentes métodos de aislamiento ofrece la promesa de generar protocolos más robustos y una mayor pureza.
Aquí, presentamos un nuevo protocolo para el aislamiento de mitocondrias basado en la combinación de dos métodos existentes: (1) centrifugación diferencial para aislar una fracción mitocondrial cruda, y (2) captura inmune libre de etiquetas de mitocondrias con perlas superparamagnéticas unidas covalentemente a anticuerpos contra la translocasa de la membrana mitocondrial externa 22 (Tomm22)11, una proteína ubicua de la membrana externa mitocondrial (Figura 1). El procedimiento que describimos es compatible con la espectrometría cuantitativa de masas de proteínas, y debido a que no tiene etiquetas y no requiere manipulación genética, se puede aplicar a una amplia gama de modelos de investigación, desde líneas celulares hasta fluidos corporales y tejidos animales completos. Además, el uso de dos pasos en el protocolo permite el uso de la proteómica sustractiva 6,12 para el descubrimiento de nuevas proteínas mitocondriales y el estudio de su expresión.
Se deben usar guantes en todo momento y los pasos de cultivo celular deben realizarse bajo una campana de flujo laminar. Las células se mantienen en una incubadora a 37 °C con un 5% deCO2. La investigación presentada en este protocolo fue aprobada y realizada de acuerdo con las directrices de la Universidad de Lausana y Suiza para el uso de animales.
1. Cultivo de la línea celular de macrófagos RAW264.7
2. Aislamiento y cultivo de macrófagos derivados de la médula ósea (DMO)
NOTA: El protocolo descrito aquí es para un solo mouse y se puede escalar verticalmente para varios ratones. Los protocolos detallados para el aislamiento y cultivo de BMDM se han descrito en otra parte13,14.
3. Preparación de una fracción mitocondrial bruta por centrifugación diferencial
NOTA: Realice todos los pasos de centrifugación a 4 °C. Se requieren dos centrífugas, una con rotor basculante y adaptadores para tubos cónicos con una fuerza centrífuga relativa de al menos 300 x g, la otra con una fuerza centrífuga relativa de al menos 21.000 x g adecuada para tubos de 1,5 ml. Cuando use células adherentes, use un raspador celular.
4. Purificación de mitocondrias basada en anticuerpos superparamagnéticos
NOTA: Realice todos los pasos siguientes en una cámara frigorífica a 4 °C.
En el presente protocolo se generan tres muestras con grados crecientes de pureza mitocondrial: células totales, mitocondrias crudas ("mito-crudas") y mitocondrias puras ("mito-puras") (Figura 1). Validamos la purificación de las mitocondrias de la línea celular de macrófagos RAW264.7 cargando cantidades iguales de proteínas de cada fracción en un gel e inmunotransferencia, y encontramos que la citrato sintasa mitocondrial (Cs) se enriqueció en cada paso de purificación; mientras tanto, las proteínas del citosol (GAPDH), la membrana plasmática (Na/K ATPasa), el núcleo (Lamin B), los lisosomas (Lamp1) y el retículo endoplásmico (ER) (Pdi) desaparecieron progresivamente (Figura 2A). Se obtuvieron resultados similares utilizando DMO. Para una mayor validación de la pureza e integridad de las mitocondrias aisladas, se realizó microscopía electrónica en la fracción mitocondrial pura. Observamos mitocondrias con forma ovalada clásica y crestas intactas rodeadas de partículas densas en electrones correspondientes a las perlas recubiertas de anticuerpos (Figura 2B). Por lo tanto, se puede concluir que nuestro protocolo enriquece las mitocondrias, agota otros componentes celulares y mantiene la integridad estructural mitocondrial.
A continuación, se realizó un análisis del proteoma de cada fracción mediante cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC/MS). Se identificaron un total de 6.248 proteínas en el extracto de células totales, 907 de las cuales fueron previamente anotadas como mitocondriales en el inventario MitoCarta3.05. Después de filtrar las proteínas con un umbral de al menos dos péptidos únicos, calculamos una puntuación de enriquecimiento para cada proteína en cada muestra en función de su intensidad en comparación con el total de células. Luego asignamos las proteínas a siete compartimentos subcelulares principales: mitocondrias, RE, lisosomas, aparato de Golgi, citoesqueleto, núcleo y citosol, utilizando Gene Ontology (GO)16,17 y MitoCarta3.05 como referencias. Es importante destacar que se observó un enriquecimiento promedio para las proteínas mitocondriales de más de 10 veces y más de 20 veces en las fracciones de mitocondrias crudas y puras, respectivamente (Figura 2C). En contraste, los componentes de los otros seis compartimentos celulares analizados se agotaron durante el procedimiento de purificación. De particular interés, en la fracción mitocondrial bruta, observamos un enriquecimiento transitorio para ER y proteínas lisosomales, dos clases de proteínas contaminantes frecuentemente presentes siguiendo protocolos de centrifugación diferencial18. Esto fue posiblemente debido a las interacciones orgánulo-orgánulo y coeficientes similares de sedimentación, especialmente para los lisosomas, que son muy abundantes en los macrófagos19. Si bien ambos se agotaron en su mayoría después de la captura inmune, detectamos una pequeña señal para las proteínas de los sitios de contacto ER-mitocondrias en la fracción mito-pura.
Luego comparamos directamente la abundancia de proteínas de las células totales y de muestras mitopuras y observamos dos poblaciones distintas, correspondientes a proteínas mitocondriales y no mitocondriales (Figura 2D). Si bien la gran mayoría de las proteínas MitoCarta se agruparon, encontramos algunas (<5%) que se agruparon con proteínas no MitoCarta. Estas proteínas pueden representar (1) proteínas citosólicas que interactúan con mitocondrias (una categoría novedosa anotada en la versión 3.0 de MitoCarta), (2) proteínas de doble localización o (3) proteínas mal anotadas. Por el contrario, encontramos algunos casos de proteínas no MitoCarta que se agrupan con proteínas mitocondriales. Si bien tales proteínas pueden representar contaminantes del procedimiento de aislamiento, también pueden representar proteínas no clasificadas previamente como presentes en las mitocondrias.
Para investigar esta nueva clase de proteínas mitocondriales potenciales, se utilizó la proteómica sustractiva, un enfoque que ha demostrado ser útil para el descubrimiento de proteomas organelares, incluidas las mitocondrias 6,12. La proteómica sustractiva asume que las mitocondrias deben enriquecerse durante los pasos de purificación, y los contaminantes deben agotarse6. Por ejemplo, mientras que los contaminantes pueden acumularse durante la centrifugación diferencial (por ejemplo, debido a propiedades de sedimentación similares) o durante la captura inmune (por ejemplo, debido a la unión de anticuerpos no específicos), solo las proteínas mitocondriales de buena fe deben acumularse significativamente en ambas. Por lo tanto, es posible filtrar las proteínas que se encontraron en la fracción mitocondrial pura pero mostraron patrones inconsistentes de enriquecimiento. En el presente ejemplo con células RAW264.7, al establecer un umbral para péptidos únicos de ≥1 para las muestras mitocrudas y mitopuras, y utilizando umbrales estrictos de enriquecimiento, pudimos refinar la lista de proteomas mitocondriales recuperados de 1.127 proteínas encontradas inicialmente en la fracción mitocondrial cruda después de la centrifugación diferencial, hasta 481 proteínas después de la segunda ronda de purificación utilizando la inmunoselección Tomm22. El número reducido de proteínas anotadas por MitoCarta en la fracción mitopura refleja la alta rigurosidad aplicada para la selección. Curiosamente, 70 de las proteínas presentes en la fracción mitopura no estaban presentes en el inventario MitoCarta3.0 (Figura 3A, B). Estas últimas proteínas pueden representar posibles nuevas proteínas candidatas mitocondriales, que solo pueden expresarse en la línea celular de macrófagos RAW264.7 y en células relacionadas, y que merecen una mayor investigación.

Figura 1: Ilustración del protocolo de aislamiento de mitocondrias de dos pasos y sin etiquetas . (A) Una suspensión celular se interrumpe a través de una aguja de 25 G. (B) Los núcleos y las células enteras se separan por centrifugación a 2.000 x g y se guarda el sobrenadante. (C) Las mitocondrias crudas se aíslan por centrifugación diferencial del sobrenadante a 13.000 x g (mitocrudo). (D) Las mitocondrias crudas se incuban con anticuerpos Tomm22 (Ab) unidos covalentemente a perlas superparamagnéticas. (E) Los complejos de perlas de anticuerpos mitocondrias-Tomm22 se separan de los contaminantes utilizando columnas magnéticas y se eluyen. (F) Las mitocondrias puras se recogen y concentran por centrifugación (mito-pura). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Resultados representativos del aislamiento de mitocondrias de dos fuentes de macrófagos. (A) Análisis de inmunotransferencia de proteínas de células RAW264.7 (arriba) y BMDM (abajo) utilizando anticuerpos contra citrato sintasa mitocondrial (Cs - mitocondrias), gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa (Gapdh - citosol), bomba de sodio-potasio (Na/K ATPasa - membrana plasmática), Lamin B (Lamin B - núcleo), proteína de membrana asociada a lisosomas 1 (Lamp1 - lisosoma) y proteína disulfuro-isomerasa (Pdi - ER). (B) Microscopía electrónica de mitocondrias purificadas a partir de células RAW264.7. Las partículas de alta densidad que rodean las mitocondrias corresponden a las perlas Tomm22 que se transportan con muestras mitopuras después de la elución de las columnas. Barras de escala: 80 nm. (C) Puntuaciones de enriquecimiento en células totales, mito-crudas y mito-puras de siete compartimentos celulares en células RAW264.7. Se utilizaron MitoCarta3.0 y GO para la anotación de proteínas y se representan los puntajes promedio. Abreviatura: ER = retículo endoplásmico. (D) Valores de abundancia de proteínas (riBAQ) para proteínas en células totales y muestras mitopuras de células RAW264.7. Las proteínas MitoCarta3.0 se muestran en naranja. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Descubrimiento de nuevas proteínas mitocondriales utilizando proteómica sustractiva. (A) Estrategia proteómica sustractiva para el descubrimiento de nuevas proteínas mitocondriales. Se aplican umbrales de selección altos (4x y 2x) para minimizar la selección de falsos positivos. (B) Rendimientos de enriquecimiento (pliegue de células totales) de nuevas proteínas candidatas mitocondriales no anotadas previamente en el inventario MitoCarta3.0. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Presentamos un protocolo de dos pasos para el aislamiento de mitocondrias de alta calidad que es compatible con el descubrimiento y cuantificación de proteínas a escala de proteoma. Nuestro protocolo no requiere ingeniería genética y, por lo tanto, es adecuado para estudiar las mitocondrias de cualquier célula y tejido primario.
Agradecemos a Manfredo Quadroni, el Centro de Análisis de Proteínas y el Centro de Microscopía Electrónica de la Universidad de Lausana por su ayuda. También agradecemos a H.G. Sprenger, K. Maundrell y miembros del laboratorio Jourdain por sus consejos y comentarios sobre el manuscrito. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Pierre-Mercier para la Ciencia y la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (subvención del proyecto 310030_200796).
| Jeringa de 1 mL | BD Plastipal | 309628 | |
| 25 G Aguja | BD Microlance | 300400 | |
| 40 µ M filtro de células | Corning | 352340 | |
| Anti-TOM22 Microperlas, ratón | Miltenyi Biotec | 130-127-693 | |
| Raspador de células | FisherScientific | 11577692 | |
| DMEM, alto en glucosa, GlutaMAX | ThermoFisher | 31966 | |
| Ácido etilendiaminotetraacético | FisherScientific | BP-120-1 | |
| Suero fetal bovino | Gibco | 10270 | |
| HEPES | BioConcept | 5-31F00-H | |
| LS Columnas y émbolos | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| Factor estimulante de colonias de macrófagos | Immunotools | 12343115 | |
| Manitol | Sigma | M4125 | |
| Cloruro de sodio | Sigma | 71380 | |
| Sacarosa | Sigma | S1888 | |
| Penicilina/Estreptomicina | BioConcept | 4-01F00-H Placas | de |
| Petri | Corning | BH93B-102 | |
| Solución salina tamponada con fosfato 10X | Eurobio Scientific | CS3PBS01-01 | |
| Separador QuadroMACS | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | |
| Vi-CELL BLU Analizador de viabilidad celular | Beckman Coulter | C19196 |