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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Nous présentons un protocole en deux étapes pour l’isolement de mitochondries de haute qualité qui est compatible avec la découverte et la quantification des protéines à l’échelle du protéome. Notre protocole ne nécessite pas de génie génétique et convient donc à l’étude des mitochondries de toutes les cellules et tissus primaires.
La plupart des processus physiologiques et pathologiques, du métabolisme central à la réponse immunitaire à la neurodégénérescence, impliquent les mitochondries. Le protéome mitochondrial est composé de plus de 1 000 protéines, et l’abondance de chacune peut varier dynamiquement en réponse à des stimuli externes ou au cours de la progression de la maladie. Ici, nous décrivons un protocole pour isoler des mitochondries de haute qualité à partir de cellules et de tissus primaires. La procédure en deux étapes comprend (1) l’homogénéisation mécanique et la centrifugation différentielle pour isoler les mitochondries brutes, et (2) la capture immunitaire sans marquage des mitochondries pour isoler les organites purs et éliminer les contaminants. Les protéines mitochondriales de chaque étape de purification sont analysées par spectrométrie de masse quantitative et les rendements d’enrichissement sont calculés, ce qui permet la découverte de nouvelles protéines mitochondriales par protéomique soustractive. Notre protocole fournit une approche sensible et complète pour étudier le contenu mitochondrial dans les lignées cellulaires, les cellules primaires et les tissus.
Les mitochondries sont des organites complexes et dynamiques capables de détecter et de s’adapter aux besoins métaboliques de la cellule. Au cœur de la complexité du métabolisme cellulaire, les mitochondries agissent comme des centres métaboliques où convergent les réactions métaboliques des glucides, des protéines, des lipides, des acides nucléiques et des cofacteurs1. Ils servent également d’organites de signalisation pour les voies de la réponse immunitaire innée et en réponse aux changements dans les ions et les espèces réactivesde l’oxygène 2,3. À ce jour, environ 1 100 protéines ont été cartographiées aux mitochondries 4,5,6, mais nous pouvons supposer qu’il reste beaucoup d’autres à découvrir, en particulier celles exprimées uniquement dans certains types de cellules ou transitoirement dans des conditions environnementales spécifiques. Le développement de nouvelles approches pour quantifier les changements dans la composition mitochondriale dans les états métaboliques d’intérêt permettra d’accroître nos connaissances sur ces organites et de mettre en évidence de nouvelles pistes thérapeutiques pour les troubles caractérisés par un dysfonctionnement mitochondrial7.
Actuellement, différents protocoles d’isolation des mitochondries sont disponibles, avec des rendements et des niveaux de puretédifférents 8. Les approches basées sur la centrifugation sont les plus populaires, en raison de leur simplicité et de leur faible coût. Bien qu’elle convienne à la plupart des applications, la centrifugation différentielle présente l’inconvénient d’obtenir une pureté mitochondriale inférieure et de nécessiter de grandes quantités de matériau de départ lorsque des applications plus complexes basées sur le gradient de densité sont utilisées. Ces dernières années, de nouvelles méthodes d’isolement des mitochondries ont vu le jour, telles que la capture immunitaire par marquage (« MITO-IP »)9 et le tri des organites activés par fluorescence10. Bien que les deux procédures puissent générer des échantillons de haute pureté, la première nécessite un génie génétique pour marquer les mitochondries pour la purification par affinité, ce qui rend les protocoles incompatibles avec le matériel primaire provenant d’organismes non modifiés ou de donneurs humains. Pendant ce temps, ce dernier dépend de l’accès à la cytométrie en flux et aux instruments de tri. La combinaison de différentes méthodes d’isolation offre la promesse de générer des protocoles plus robustes et une pureté accrue.
Ici, nous présentons un nouveau protocole pour l’isolement des mitochondries basé sur la combinaison de deux méthodes existantes : (1) centrifugation différentielle pour isoler une fraction mitochondriale brute, et (2) capture immunitaire sans marquage des mitochondries avec des billes superparamagnétiques liées de manière covalente à des anticorps contre la translocase de la membrane mitochondriale externe 22 (Tomm22)11, une protéine mitochondriale omniprésente de la membrane externe (Figure 1). La procédure que nous décrivons est compatible avec la spectrométrie quantitative de masse protéique, et parce qu’elle est sans marquage et ne nécessite pas de manipulation génétique, elle peut être appliquée à un large éventail de modèles de recherche, des lignées cellulaires aux fluides corporels en passant par les tissus animaux entiers. De plus, l’utilisation de deux étapes dans le protocole permet l’utilisation de la protéomique soustractive 6,12 pour la découverte de nouvelles protéines mitochondriales et l’étude de leur expression.
Les gants doivent être portés en tout temps et les étapes de culture cellulaire effectuées sous une hotte à flux laminaire. Les cellules sont maintenues dans un incubateur à 37 °C avec 5% de CO2. La recherche présentée dans ce protocole a été approuvée et réalisée conformément aux directives de l’Université de Lausanne et de la Suisse pour l’utilisation des animaux.
1. Culture de la lignée cellulaire de macrophages RAW264.7
2. Isolement et culture de macrophages dérivés de la moelle osseuse (BMDM)
Remarque : Le protocole décrit ici est pour une seule souris et peut être mis à l’échelle pour plusieurs souris. Des protocoles détaillés pour l’isolement et la culture de la BMDM ont été décrits ailleurs13,14.
3. Préparation d’une fraction mitochondriale brute par centrifugation différentielle
REMARQUE : Effectuez toutes les étapes de centrifugation à 4 °C. Deux centrifugeuses sont nécessaires, l’une avec un rotor pivotant et des adaptateurs pour tubes coniques ayant une force centrifuge relative d’au moins 300 x g, l’autre avec une force centrifuge relative d’au moins 21 000 x g convenant à des tubes de 1,5 mL. Lorsque vous utilisez des cellules adhérentes, utilisez un grattoir de cellules.
4. Purification des mitochondries à base d’anticorps superparamagnétiques
REMARQUE : Effectuez toutes les étapes suivantes dans une chambre froide à 4 °C.
Trois échantillons avec des degrés croissants de pureté mitochondriale sont générés dans le présent protocole : les cellules totales, les mitochondries brutes (« mito-brutes ») et les mitochondries pures (« mito-pures ») (Figure 1). Nous avons validé la purification des mitochondries de la lignée cellulaire de macrophages RAW264.7 en chargeant des quantités égales de protéines de chaque fraction sur un gel et un immunobuvardage, et avons constaté que la citrate synthase mitochondriale (Cs) était enrichie à chaque étape de purification ; pendant ce temps, les protéines du cytosol (GAPDH), de la membrane plasmique (Na/K ATPase), du noyau (Lamin B), des lysosomes (Lamp1) et du réticulum endoplasmique (ER) (Pdi) ont progressivement disparu (Figure 2A). Des résultats similaires ont été obtenus à l’aide de BMDM. Pour une validation plus poussée de la pureté et de l’intégrité des mitochondries isolées, une microscopie électronique sur la fraction mitochondriale pure a été effectuée. Nous avons observé des mitochondries de forme ovale classique et des cristae intactes entourées de particules denses en électrons correspondant aux billes recouvertes d’anticorps (Figure 2B). Par conséquent, on peut conclure que notre protocole enrichit les mitochondries, épuise les autres composants cellulaires et maintient l’intégrité structurelle mitochondriale.
Ensuite, une analyse protéome de chaque fraction par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (LC/MS) a été effectuée. Un total de 6 248 protéines dans l’extrait de cellules totales, dont 907 ont été précédemment annotées comme mitochondriales dans l’inventaire MitoCarta3.05, ont été identifiées. Après filtrage des protéines avec un seuil d’au moins deux peptides uniques, nous avons calculé un score d’enrichissement pour chaque protéine de chaque échantillon en fonction de leur intensité par rapport au total des cellules. Nous avons ensuite attribué les protéines à sept compartiments subcellulaires principaux: mitochondries, ER, lysosomes, appareil de Golgi, cytosquelette, noyau et cytosol, en utilisant Gene Ontology (GO)16,17 et MitoCarta3.05 comme références. Il est important de noter qu’un enrichissement moyen en protéines mitochondriales de plus de 10 fois et de plus de 20 fois dans les fractions mitochondriales brutes et pures, respectivement, a été observé (Figure 2C). En revanche, les composants des six autres compartiments cellulaires analysés ont été épuisés pendant la procédure de purification. Il convient de noter en particulier que dans la fraction brute des mitochondries, nous avons observé un enrichissement transitoire pour les protéines ER et lysosomales, deux classes de protéines contaminantes fréquemment présentes suivant des protocoles de centrifugation différentielle18. Cela était peut-être dû aux interactions organite-organite et à des coefficients de sédimentation similaires, en particulier pour les lysosomes, qui sont très abondants dans les macrophages19. Alors que les deux étaient pour la plupart épuisés après la capture immunitaire, nous avons détecté un petit signal pour les protéines des sites de contact ER-mitochondries dans la fraction mito-pure.
Nous avons ensuite comparé directement l’abondance des protéines des cellules totales et des échantillons mito-purs et observé deux populations distinctes, correspondant à des protéines mitochondriales et non mitochondriales (Figure 2D). Alors que la grande majorité des protéines MitoCarta se sont regroupées, nous en avons trouvé quelques-unes (<5%) qui se sont regroupées avec des protéines non-MitoCarta. Ces protéines peuvent représenter (1) des protéines interagissant avec les mitochondries cytosoliques (une nouvelle catégorie annotée dans la version 3.0 de MitoCarta), (2) des protéines à double localisation ou (3) des protéines mal annotées. Inversement, nous avons trouvé quelques cas de protéines non-MitoCarta se regroupant avec des protéines mitochondriales. Bien que ces protéines puissent représenter des contaminants de la procédure d’isolement, elles peuvent également représenter des protéines qui n’ont pas été classées auparavant comme étant présentes dans les mitochondries.
Pour étudier cette nouvelle classe de protéines mitochondriales potentielles, la protéomique soustractive, une approche qui s’est avérée utile pour la découverte de protéomes organellaires, y compris les mitochondries 6,12, a été utilisée. La protéomique soustractive suppose que les mitochondries devraient s’enrichir pendant les étapes de purification et que les contaminants devraient s’épuiser6. Par exemple, alors que les contaminants peuvent s’accumuler pendant la centrifugation différentielle (p. ex. en raison de propriétés de sédimentation similaires) ou pendant la capture immunitaire (p. ex., en raison de la liaison d’anticorps non spécifiques), seules les protéines mitochondriales de bonne foi devraient s’accumuler de manière significative dans les deux. Il est donc possible de filtrer les protéines qui ont été trouvées dans la fraction mitochondriale pure mais qui ont montré des modèles d’enrichissement incohérents. Dans le présent exemple avec des cellules RAW264.7, en fixant un seuil pour les peptides uniques de ≥1 pour les échantillons mito-bruts et mito-purs, et en utilisant des seuils stricts d’enrichissement, nous avons pu affiner la liste des protéomes mitochondriaux récupérés à partir de 1 127 protéines initialement trouvées dans la fraction mitochondriale brute après centrifugation différentielle, jusqu’à 481 protéines après le deuxième cycle de purification par immunosélection Tomm22. Le nombre réduit de protéines annotées MitoCarta dans la fraction mito-pure reflète la rigueur élevée appliquée pour la sélection. Fait intéressant, 70 des protéines présentes dans la fraction mito-pure n’étaient pas présentes dans l’inventaire MitoCarta3.0 (Figure 3A, B). Ces dernières protéines peuvent représenter de nouvelles protéines candidates mitochondriales potentielles, qui ne peuvent être exprimées que dans la lignée cellulaire de macrophages RAW264.7 et dans des cellules apparentées, et qui méritent des recherches plus approfondies.

Figure 1 : Illustration du protocole d’isolement des mitochondries en deux étapes et sans marqueur. (A) Une suspension cellulaire est perturbée par une aiguille de 25 G. (B) Les noyaux et les cellules entières sont séparés par centrifugation à 2 000 x g et le surnageant est sauvé. (C) Les mitochondries brutes sont isolées par centrifugation différentielle du surnageant à 13 000 x g (mito-brut). (D) Les mitochondries brutes sont ensuite incubées avec des anticorps Tomm22 (Ab) liés de manière covalente à des billes superparamagnétiques. (E) Les complexes mitochondries-tomm22 anticorps-billes sont séparés des contaminants à l’aide de colonnes magnétiques et élués. (F) Les mitochondries pures sont collectées et concentrées par centrifugation (mito-pure). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Graphique 2. Résultats représentatifs de l’isolement des mitochondries à partir de deux sources de macrophages. (A) Analyse par immunotransfert protéique des cellules RAW264.7 (en haut) et BMDM (en bas) à l’aide d’anticorps dirigés contre la citrate synthase mitochondriale (Cs - mitochondries), la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (Gapdh - cytosol), la pompe sodium-potassium (Na/K ATPase - membrane plasmique), la lamine B (Lamin B - noyau), la protéine membranaire associée au lysosomal 1 (Lamp1 - lysosome) et la protéine disulfure-isomérase (Pdi - ER). (B) Microscopie électronique de mitochondries purifiées à partir de cellules RAW264.7. Les particules de haute densité entourant les mitochondries correspondent aux billes Tomm22 qui sont transportées avec des échantillons mito-purs après élution des colonnes. Barres d’échelle: 80 nm. (C) Scores d’enrichissement sur le total des cellules, mito-brut et mito-pur à partir de sept compartiments cellulaires dans les cellules RAW264.7. MitoCarta3.0 et GO ont été utilisés pour l’annotation des protéines et les scores moyens sont représentés. Abréviation : ER = réticulum endoplasmique. (D) Valeurs d’abondance des protéines (riBAQ) pour les protéines dans les cellules totales et les échantillons mito-purs de cellules RAW264.7. Les protéines MitoCarta3.0 sont représentées en orange. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Graphique 3. Découverte de nouvelles protéines mitochondriales à l’aide de la protéomique soustractive. (A) Stratégie protéomique soustractive pour la découverte de nouvelles protéines mitochondriales. Des seuils de sélection élevés (4x et 2x) sont appliqués pour minimiser la sélection des faux positifs. (B) Rendements d’enrichissement (pli des cellules totales) de nouvelles protéines candidates mitochondriales non annotées précédemment dans l’inventaire MitoCarta3.0. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous présentons un protocole en deux étapes pour l’isolement de mitochondries de haute qualité qui est compatible avec la découverte et la quantification des protéines à l’échelle du protéome. Notre protocole ne nécessite pas de génie génétique et convient donc à l’étude des mitochondries de toutes les cellules et tissus primaires.
Nous remercions Manfredo Quadroni, le Centre d’analyse des protéines et l’Unité de microscopie électronique de l’Université de Lausanne pour leur aide. Nous remercions également H.G. Sprenger, K. Maundrell et les membres du laboratoire Jourdain pour leurs conseils et leurs commentaires sur le manuscrit. Ces travaux ont été soutenus par la Fondation Pierre-Mercier pour la Science et le Fonds national suisse de la recherche scientifique (subvention projet 310030_200796).
| Seringue de 1 mL | BD Plastipal | 309628 | |
| 25 G Aiguille | BD Microlance | 300400 | |
| 40 µ ; Filtre à cellules m | Corning | 352340 | |
| Anti-TOM22 Microbilles, souris | Miltenyi Biotec | 130-127-693 | |
| Grattoir à cellules | FisherScientific | 11577692 | |
| DMEM, à haute teneur en glucose, GlutaMAX | ThermoFisher | 31966 | |
| Acide éthylènediaminetétraacétique | FisherScientific | BP-120-1 | |
| Sérum fœtal bovin | Gibco | 10270 | |
| HEPES | BioConcept | 5-31F00-H | |
| LS Colonnes et pistons | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| Facteur de stimulation des colonies de macrophages | Immunotools | 12343115  ; | |
| Mannitol | Sigma | M4125 | |
| Chlorure de sodium | Sigma | 71380 | |
| Saccharose | Sigma | S1888 | |
| Pénicilline/Streptomycine | BioConcept | 4-01F00-H | |
| Boîtes de Pétri | Corning | BH93B-102 | |
| Solution saline tamponnée au phosphate 10X | Eurobio Scientific | CS3PBS01-01 | |
| Séparateur QuadroMACS | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | |
| Analyseur de viabilité cellulaire Vi-CELL BLU | Beckman Coulter | C19196 |