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Research Article
Vera Filipa Monteiro-Cardoso1,2, Romain Le Bars1,3, Francesca Giordano1,2
1Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC), CEA, CNRS,Université Paris-Saclay, 2Inserm U1280, 3Imagerie-Gif, Light Microscopy Facility, Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC), CEA, CNRS,Université Paris-Saclay
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Le besoin de nouvelles approches pour étudier les sites de contact membranaire (MCS) s’est accru en raison de l’intérêt croissant pour l’étude de ces structures cellulaires et de leurs composants. Nous présentons ici un protocole qui intègre les technologies de microscopie précédemment disponibles pour identifier et quantifier les complexes protéiques intra-organites et inter-organites qui résident dans les MCS.
Les sites de contact membranaire (MCS) sont des zones de proximité membranaire qui permettent et régulent l’échange dynamique de diverses biomolécules (c’est-à-dire le calcium et les lipides) entre les organites juxtaposés sans impliquer la fusion membranaire. Les MCS sont essentiels à l’homéostasie cellulaire, et leurs fonctions sont assurées par les composants résidents, qui existent souvent sous forme de complexes protéiques multimériques. Les MCS impliquent souvent le réticulum endoplasmique (RE), un site majeur de synthèse des lipides et de stockage cellulaire du calcium, et sont particulièrement importants pour les organites, tels que les mitochondries, qui sont exclus des voies de transport vésiculaires classiques. Au cours des dernières années, les MCS entre le RE et les mitochondries ont été largement étudiés, car leurs fonctions ont un impact important sur le métabolisme cellulaire/bioénergétique. Plusieurs protéines ont commencé à être identifiées sur ces sites de contact, notamment les attaches membranaires, les canaux calciques et les protéines de transfert de lipides, ce qui soulève le besoin de nouvelles méthodologies et approches techniques pour étudier ces composants MCS. Nous décrivons ici un protocole composé d’approches techniques combinées, qui incluent le test de ligature de proximité (PLA), la coloration des mitochondries et la segmentation par imagerie 3D, qui permet la détection de protéines physiquement proches (>40 nm) les unes des autres et qui résident sur la même membrane au niveau des MCS des mitochondries ER. Par exemple, nous avons utilisé deux protéines de transfert de lipides ancrées dans le RE, ORP5 et ORP8, dont il a déjà été démontré qu’elles interagissent et se localisent au niveau des mitochondries du RE et des MCS de la membrane plasmique du RE. En associant le PLA ORP5-ORP8 à l’analyse d’un logiciel d’imagerie cellulaire, il a été possible d’estimer la distance du complexe ORP5-ORP8 par rapport à la surface mitochondriale et de déterminer qu’environ 50% de l’interaction ORP5-ORP8 PLA se produit au niveau des sous-domaines ER à proximité des mitochondries.
La communication inter-organites est une caractéristique déterminante des cellules eucaryotes. L’une des façons dont les organites communiquent est de former des sites de contact membranaire (MCS), qui sont des oppositions membranaires étroites entre deux organites qui sont maintenues par des protéines structurelles et fonctionnelles, telles que les attaches, les protéines de transfert de lipides et les canaux calciques1. Les MCS peuvent être établis entre des organites similaires ou différents, et ils interviennent dans l’échange de composants cellulaires, ce qui est important pour maintenir l’homéostasie cellulaire. À ce jour, plusieurs MCS ont été identifiés, notamment les mitochondries du réticulum endoplasmique (RE), les contacts ER-membrane plasmique (PM) et les contacts ER-gouttelettes lipidiques (LD)1. Parmi eux, ceux formés entre le RE et les mitochondries (MERCSs) sont parmi les plus étudiés car ils sont impliqués dans la régulation de plusieurs fonctions cellulaires, dont l’homéostasie lipidique et calcique2. Comme les mitochondries sont largement exclues des voies de transport vésiculaires classiques, elles dépendent des MERCS et de leurs constituants moléculaires pour importer des lipides clés ou des précurseurs lipidiques du RE. Le transport non vésiculaire de ces lipides à travers les MERCS assure le maintien d’une bonne composition lipidique mitochondriale, ainsi que leur intégrité fonctionnelle et structurelle3.
Compte tenu de l’implication cruciale des MCS dans diverses fonctions cellulaires, l’intérêt pour une compréhension plus approfondie de leurs composants moléculaires a considérablement augmenté au cours des dernières années. Plusieurs types d’approches basées sur l’imagerie ont été utilisés pour faire progresser les connaissances sur les MCS. Parmi eux, le test de ligature de proximité (PLA) basé sur une sonde de fluorescence a été largement utilisé comme indicateur de l’abondance des MCS en détectant les interactions protéine-protéine inter-organites (dans une plage de détection de 40 nm) à des niveaux endogènes4. Par exemple, les MERCS ont été visualisés et quantifiés en utilisant le PLA entre plusieurs paires de protéines mitochondries-RE, notamment VDAC1-IP3R, GRP75-IP3R, CypD-IP3 et PTPIP51-VAPB 5,6,7,8. Bien que cette technologie ait été utilisée pour détecter et quantifier les interactions protéine-protéine inter-organites présentes au MCS 5,7,9,10,11, la plupart des études n’ont pas combiné le PLA avec la coloration des organites. Par conséquent, une méthode quantitative permettant de mesurer la proximité entre les interactions PLA et les organites associés n’a pas encore été développée. Ainsi, jusqu’à présent, dans le cas des protéines RE, leur interaction au sein des sous-domaines membranaires en contact avec d’autres organites n’a pas été distinguée de leur interaction au sein du réseau RE largement distribué.
Nous décrivons ici un protocole permettant de détecter les interactions PLA entre les protéines qui résident dans la membrane d’un même organite et d’analyser leur proximité avec la membrane de l’organite partenaire au niveau du MCS. Ce protocole a été développé sur la base de deux prémisses : 1) des études antérieures montrant que, dans des conditions de surexpression, les protéines de transfert de lipides ER ORP5 et ORP8 co-localisent et interagissent au niveau des mitochondries ER-et des MCS ER-PM 12,13,14,15 et que ORP5 se localise aux contacts ER-LD 16,17 ; 2) les technologies existantes, y compris le PLA, la microscopie confocale, le marquage des organites et l’analyse par imagerie 3D.
1. Coloration mitochondriale et test de ligature de proximité (PLA)
2. Acquisition d’images
3. Traitement d’images et évaluation des taches PLA associées aux mitochondries
En utilisant le protocole décrit ci-dessus, nous avons détecté les sites d’interaction de deux protéines de transfert de lipides ancrées dans le RE, ORP5 et ORP8, et évalué leur présence au niveau des sous-domaines membranaires du RE en contact avec d’autres organites, en particulier avec les mitochondries. Pour cela, le réseau mitochondrial dans les cellules HeLa a été coloré avec un marqueur mitochondrial rouge, et des taches vertes ORP5-ORP8 PLA ont été détectées après fixation à l’aide des anticorps primaires anti-ORP5 et anti-ORP8, dont la spécificité a été préalablement testée par immunofluorescence15. Les images confocales ont montré que les interactions endogènes ORP5-ORP8 PLA dans les cellules HeLa se produisaient dans le RE réticulaire, le RE cortical et dans les sous-domaines du RE en contact étroit avec les mitochondries, communément appelées membranes ER associées aux mitochondries (MAMs ; Graphique 2A). Afin de quantifier les interactions ORP5-ORP8 PLA se produisant au niveau des MAM, la distance de chaque point PLA par rapport aux mitochondries a été évaluée à l’aide d’une analyse d’images 3D. À l’aide d’un seuil de distance de 380 nm, l’analyse d’imagerie 3D a révélé qu’environ 50 % des interactions endogènes ORP5-ORP8 PLA ont été détectées au niveau des MAM (Figure 2A,B). Les 50 % restants des interactions étaient répartis entre le RE15 cortical et réticulaire. Pour valider la spécificité du PLA, des expériences de PLA ORP5-ORP8 ont été réalisées soit dans des cellules traitées avec des siARN ciblant l’ORP5 et l’ORP8 (contrôle négatif), soit dans des cellules co-surexprimant ORP5 et ORP8 (contrôle positif). La régulation négative de l’ORP5 et de l’ORP8 a induit une diminution massive du nombre total de signaux PLA (au niveau des MAMs, du RE réticulaire et du RE cortical ; Figure 2A,C), tandis que leur co-surexpression s’est traduite par une augmentation du PLA (Figure 2A,C), confirmant la spécificité du PLA ORP5-ORP8. Cependant, il est intéressant de noter que le pourcentage d’interactions ORP5-ORP8 PLA survenant au niveau des MAMs dans les cellules co-surexprimant ORP5 et ORP8 était similaire à celui observé dans les cellules où ces protéines étaient exprimées à des niveaux endogènes (Figure 2B), soutenant leur existence en tant que complexe au niveau des MAMs. Pour confirmer davantage la présence d’ORP5 et d’ORP8 dans les sous-domaines membranaires du RE en contact étroit avec les mitochondries, des analyses quantitatives supplémentaires de PLA entre ORP5 ou ORP8 et la protéine membranaire mitochondriale externe PTPIP51, un partenaire de liaison connu d’ORP5 et d’ORP813, ont été effectuées. Les signaux PLA ont été détectés dans les couples ORP5-PTPIP51 et ORP8-PTPIP51, et leur nombre moyen était similaire à celui du couple PLA ORP5-ORP8, confirmant la localisation de l’ORP5 et de l’ORP8 au niveau des MCS ER-mitochondries (Figure 3).
Enfin, dans des travaux récents de notre laboratoire, en utilisant une approche similaire dans des cellules HeLa transfectées avec PHPLCd-RFP ou mcherry-PLN1 pour marquer respectivement les PM ou les LD, nous avons pu analyser l’occurrence d’interactions ORP5-ORP8 PLA au niveau des contacts ER-PM et identifier un site de contact à trois voies entre les mitochondries, le RE et les LD (Figure 4)15, Chapitre 17.

Figure 1 : Flux de travail pour l’identification des signaux PLA à proximité des mitochondries. Tout d’abord, les piles confocales sont segmentées pour identifier les foyers PLA (taches) et le réseau mitochondrial (surfaces). Ensuite, des cartes de distance 3D sont calculées vers l’extérieur des surfaces (mitochondries), permettant de mesurer la distance de chaque point par rapport à la mitochondrie la plus proche. Enfin, les taches PLA sont classées en deux populations (rouge et verte) sur la base d’un seuil de proximité de 380 nm établi en fonction de la précision du système de détection. Ce chiffre a été modifié à partir de Monteiro-Cardoso et al.15. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Images représentatives du complexe ORP5-ORP8 exprimées à des niveaux endogènes localisés au contact ER-mitochondries. (A) Série confocale ORP5-ORP8 PLA et reconstitutions 3D respectives. Barres d’échelle : 10 μm et 2 μm (images agrandies). (B) Quantification des foyers PLA ORP5-ORP8 en contact étroit avec les mitochondries. Endo, n = 33 cellules, et Overexp ORP5+ORP8, n = 27 cellules. Les données sont présentées sous forme de moyenne ± de MEB (erreur-type de la moyenne). Cette image a été modifiée à partir de Monteiro-Cardoso et al.15. (C) Quantification des foyers totaux de PLA ORP5-ORP8. Endo, n = 38 cellules, siORP5 + siORP8, n = 38 cellules, et Overexp ORP5 + ORP8, n = 35 cellules. Les données sont présentées sous forme de moyenne ± de MEB (erreur-type de la moyenne). Cette image a été modifiée à partir de Monteiro-Cardoso et al.15. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Images représentatives des signaux PLA entre ORP5 ou ORP8 avec la protéine mitochondriale PTPIP51. (A) Des séries confocales ont été utilisées pour générer des reconstitutions 3D et des cartes de distance afin de confirmer que les interactions ORPR5 ou ORP8 PLA avec PTPIP51 se produisent au niveau des contacts étroits des mitochondries ER. Barres d’échelle : 10 μm et 2 μm (images agrandies). (B) PTPIP51 images confocales d’immunofluorescence (plan focal unique) dans des cellules témoins et HeLa traitées avec des siRNA ciblant PTPIP51. Barres d’échelle : 10 μm et 2 μm (images agrandies). (C) Images confocales PLA ORP5-PTPIP51 et ORP8-PTPIP51 dans des cellules témoins et HeLa traitées avec des siRNA ciblant PTPIP51. Barre d’échelle : 10 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Exemples de reconstructions 3D utilisées pour localiser le complexe PLA ORP5-ORP8 aux contacts ER-PM et ER-mitochondries-LD. (A) Image confocale et reconstitution 3D respective d’une cellule HeLa avec ORP5-ORP8 PLA, représentée par les taches vertes, la MP marquée par PHPLCd-RFP, représentée par la globule rouge, et les mitochondries marquées par Mito-BFP, représentées par des surfaces bleues. Images de gauche et du centre : représentation de l’ensemble de la cellule HeLa. Image de droite : représentation d’une région agrandie à l’intérieur de la cellule. (B) Image confocale et reconstitution 3D correspondante d’une région agrandie d’une cellule HeLa avec ORP5-ORP8 PLA, représentée par les taches vertes, les LD marquées par mCherry-PLN1, représentée par les surfaces rouges, et Mito-BFP, représentée par les surfaces bleues. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Le besoin de nouvelles approches pour étudier les sites de contact membranaire (MCS) s’est accru en raison de l’intérêt croissant pour l’étude de ces structures cellulaires et de leurs composants. Nous présentons ici un protocole qui intègre les technologies de microscopie précédemment disponibles pour identifier et quantifier les complexes protéiques intra-organites et inter-organites qui résident dans les MCS.
Ces travaux ont été soutenus par l’ANR Jeune Chercheur (ANR0015TD), le Programme ATIP-Avenir, la Fondation pour la Recherche Médicale (n°206548), et la Fondation Vaincre Alzheimer (eOTP :669122 LS 212527), l’I’Agence Nationale de la Recherche (ANR-11-EQPX-0029/Morphoscope, ANR-10-INBS-04/FranceBioImaging ; ANR-11-IDEX-0003-02/Saclay Sciences du Végétal).
| 1X Solution saline tamponnée au phosphate Dulbecco’s (1X DPBS) | Gibco | 14190-094 | |
| Chlorure d’ammonium (NH4Cl) | VWR | 21236.291 | |
| Albumine sérique bovine (BSA) | Sigma | A7906 | |
| Lamelles circulaires en verre 13mm n° 1.5 | Agar Scientific | L46R13-15 | |
| CMXRos rouge MitoTracker | Invitrogen | M7512 | marqueur mitochondrial rouge |
| Microscope confocal inversé SP8-X | Leica | DMI 6000 | |
| Corning Costar TC-Treated 24-Well Plates | Merck | CLS3526 | |
| Duolink Réactifs de détection in situ Green  ; | Milieu de montage in situSigma | DUO92002 | |
| Duolink avec DAPI  ; | Sigma | DUO82040 | |
| Duolink Sonde PLA In Situ Anti-Souris MOINS  ; | Sigma | DUO92004 | |
| Duolink Sonde PLA In Situ Anti-Rabbit PLUS | Sigma | DUO92014 | |
| Duolink Tampons de lavage in situ, fluorescence  ; | Sigma | DUO82049 | |
| Gibco Opti-MEM I Sérum Réduit, Supplément GlutaMAX  ; | Gibco | 51985026 | support sans sérum |
| Logiciel Imaris v 9.3 | Bitplane | N/A | Logiciel d’imagerie cellulaire |
| Incubateur UINCU-line IL10 | VWR | 390-0384 | |
| Lame de microscope StarFrost (3 » x 1 »)  ; | Knittel Souris en verre | ||
| anti-ORP8  ; | Santa Cruz | 134409 | |
| Paraformaldéhyde (PFA) | Sigma | P6148 | |
| lapin anti-ORP5  ; | Sigma | HAP038712 | |
| Saponin | Sigma | 84510 | |
| Eau distillée ultra pure, sans DNase/RNase | Invitrogen | 10977-035 |