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Research Article
Elena Levi-D’Ancona1,2, Vaibhav Sidarala1, Scott A. Soleimanpour1,3,4
1Department of Internal Medicine, Division of Metabolism, Endocrinology and Diabetes,University of Michigan, Ann Arbor, 2Graduate Program in Immunology,University of Michigan Medical School, 3Department of Molecular and Integrative Physiology,University of Michigan, Ann Arbor, 4VA Ann Arbor Healthcare System
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Ce protocole décrit deux méthodes pour l’analyse quantitative de la mitophagie dans les cellules β pancréatiques : premièrement, une combinaison de colorants spécifiques aux mitochondries perméables aux cellules, et deuxièmement, un rapporteur de mitophagie génétiquement codé. Ces deux techniques sont complémentaires et peuvent être déployées en fonction de besoins spécifiques, ce qui permet une flexibilité et une précision dans l’adressage quantitatif du contrôle de la qualité mitochondriale.
La mitophagie est un mécanisme de contrôle de la qualité nécessaire au maintien d’une fonction mitochondriale optimale. Une mitophagie dysfonctionnelle à β cellules entraîne une libération insuffisante d’insuline. Les évaluations quantitatives avancées de la mitophagie nécessitent souvent l’utilisation de rapporteurs génétiques. Le modèle murin mt-Keima, qui exprime une sonde à double rapport d’excitation sensible au pH ciblant les mitochondries pour quantifier la mitophagie par cytométrie en flux, a été optimisé dans les cellules β. Le rapport entre les émissions de longueur d’onde mt-Keima acides/neutres peut être utilisé pour quantifier de manière robuste la mitophagie. Cependant, l’utilisation de rapporteurs de mitophagie génétique peut être difficile lorsque l’on travaille avec des modèles murins génétiques complexes ou des cellules difficiles à transfecter, telles que les îlots humains primaires. Ce protocole décrit une nouvelle méthode complémentaire à base de colorants pour quantifier la mitophagie à cellules β dans les îlots primaires à l’aide de MtPhagy. MtPhagy est un colorant sensible au pH et perméable aux cellules qui s’accumule dans les mitochondries et augmente son intensité de fluorescence lorsque les mitochondries se trouvent dans des environnements à faible pH, tels que les lysosomes pendant la mitophagie. En combinant le colorant MtPhagy avec la fluozine-3-AM, un indicateur de Zn2+ qui sélectionne les cellules β, et la tétraméthylrhodamine, ester éthylique (TMRE) pour évaluer le potentiel de la membrane mitochondriale, le flux de mitophagie peut être quantifié spécifiquement dans les cellules β par cytométrie en flux. Ces deux approches sont très complémentaires, ce qui permet une flexibilité et une précision dans l’évaluation du contrôle de la qualité mitochondriale dans de nombreux modèles β cellules.
Les cellules β pancréatiques produisent et sécrètent de l’insuline pour répondre aux demandes métaboliques, et le dysfonctionnement des cellules β est responsable de l’hyperglycémie et de l’apparition du diabète dans les diabètes de type 1 et de type 2. Les β-cellules couplent le métabolisme du glucose avec la sécrétion d’insuline via l’énergétique mitochondriale et la production métabolique, qui dépendent d’une réserve de masse mitochondriale fonctionnelle 1,2,3. Pour maintenir une fonction optimale des β cellules, les cellules β s’appuient sur des mécanismes de contrôle de la qualité mitochondriale pour éliminer les mitochondries âgées ou endommagées et préserver la masse mitochondriale fonctionnelle4. L’autophagie mitochondriale sélective, également connue sous le nom de mitophagie, est un élément clé de la voie de contrôle de la qualité mitochondriale.
Les évaluations de la mitophagie dans les cellules vivantes reposent souvent sur les changements du pH mitochondrial qui se produisent au cours de la mitophagie. Les mitochondries ont un pH légèrement alcalin et les mitochondries saines résident normalement dans le cytosol au pH neutre. Au cours de la mitophagie, les mitochondries endommagées ou dysfonctionnelles sont sélectivement incorporées dans les autophagosomes et finissent par être éliminées dans les lysosomes acides5. Plusieurs modèles murins rapporteurs de mitophagie transgénique in vivo, tels que mt-Keima6, mitoQC7 et CMMR8, ainsi que des sondes de mitophagie transfécondables, telles que le plasmide Cox8-EGFP-mCherry9, utilisent ce changement de pH pour fournir des évaluations quantitatives de la mitophagie. L’utilisation de souris transgéniques exprimant la sonde métrique à double rapport d’excitation sensible au pH mt-Keima a été optimisée pour les évaluations de mitophagie dans les îlots pancréatiques et les cellules β par cytométrie en flux10,11. Le rapport entre les émissions de longueur d’onde mt-Keima acides/neutres (le rapport entre l’excitation acide de 561 nm et l’excitation neutre de 480 nm) peut être utilisé pour quantifier de manière robuste la mitophagie 6,12.
Ce protocole décrit une approche optimisée pour évaluer le flux de mitophagie dans les îlots primaires et les cellules β isolées de souris transgéniques mt-Keima10,11. Bien que mt-Keima soit une sonde très sensible, elle nécessite soit des schémas de sélection animale compliqués, soit la transfection de cellules, ce qui peut souvent être difficile lorsqu’on travaille en combinaison avec d’autres modèles génétiques ou avec des îlots humains primaires. De plus, l’utilisation de plusieurs lasers et détecteurs à fluorescence pour identifier les populations cellulaires neutres et acides peut limiter l’utilisation combinatoire d’autres rapporteurs fluorescents.
Pour surmonter ces défis, ce protocole décrit également une méthode complémentaire, à canal fluorescent unique, à base de colorant, pour une détection robuste de la mitophagie dans les cellules β provenant d’îlots de souris isolés. Cette approche, connue sous le nom de méthode MtPhagogy, utilise une combinaison de trois colorants perméables aux cellules pour sélectionner les cellules β, quantifier les populations cellulaires subissant activement la mitophagie et évaluer simultanément le potentiel de membrane mitochondriale (MMP ou Δψm).
Le premier de ces colorants est le Fluozin-3-AM, un indicateur de Zn2+ perméable aux cellules avec un Ex/Em 494/516 nm13. Les îlots de souris comprennent une population hétérogène de cellules fonctionnellement distinctes, y compris des cellules α, β, δ et PP. Les cellules β comprennent environ 80 % des cellules de l’îlot de souris et se distinguent des autres types de cellules d’îlots en raison de leur concentration élevée en Zn2+ dans les granules d’insuline14,15, ce qui permet d’identifier les cellules β comme étant la populationélevée de Fluozin-3-AM. Le colorant MtPhago, un colorant sensible au pH qui est immobilisé sur les mitochondries via une liaison chimique et émet une faible fluorescence, est également utilisé dans ce protocole16. Lors de l’induction de la mitophagie, les mitochondries endommagées sont incorporées dans le lysosome acide et le colorant MtPhagy augmente son intensité de fluorescence dans l’environnement à faible pH (Ex/Em 561/570-700 nm).
De plus, la tétraméthylrhodamine, ester éthylique (TMRE), est utilisée pour évaluer la MMP. Le TMRE est un colorant chargé positivement perméable aux cellules (Ex/Em 552/575 nm) qui est séquestré par les mitochondries saines en raison de la charge négative relative maintenue par leur potentiel membranaire17. Les mitochondries endommagées ou malsaines dissipent leur potentiel membranaire, ce qui entraîne une diminution de la capacité à séquestrer l’ERM. En utilisant ces colorants ensemble, les cellules β subissant une mitophagie peuvent être identifiées comme la populationà haute teneur enFluozine à haute teneur en TMREparcytométrie en flux. Étant donné que la mitophagie est un processus dynamique plutôt que statique, ce protocole a été optimisé pour évaluer le flux de mitophagie à l’aide de la valinomycine, un ionophore K+ qui induit la mitophagie après dissipation de MMP18. La comparaison de la mitophagie en présence et en absence de valinomycine permet d’évaluer le flux de mitophagie dans différents groupes d’échantillons.
La nature colorante de l’approche actuelle permet de l’extrapoler aux îlots humains et à d’autres types de cellules difficiles à transfecter et de contourner la nécessité de schémas de sélection animale compliqués, contrairement au protocole mt-Keima. L’objectif principal de ce protocole est de quantifier la mitophagie dans les cellules β au niveau de la cellule unique via deux méthodes indépendantes basées sur la cytométrie en flux. Pris ensemble, ce protocole décrit deux méthodes puissantes et complémentaires qui permettent à la fois précision et flexibilité dans l’étude quantitative du contrôle de la qualité mitochondriale.
Les études animales présentées dans ce protocole ont été examinées et approuvées par le Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux de l’Université du Michigan. Des souris mâles C57BL/6J âgées de vingt semaines, soumises à un régime régulier de 15 semaines en graisses (RFD) ou à un régime riche en graisses (HFD), ont été utilisées pour cette étude.
1. Évaluation de la mitophagie par l’approche MtPhagy à base de colorant (Méthode 1)
2. Évaluation de la mitophagie à l’aide du rapporteur mt-Keima génétiquement codé (Méthode 2)
Évaluation de la mitophagie via l’approche MtPhagy à base de colorants
Cette approche basée sur les colorants a été optimisée pour analyser le flux de mitophagie dans les cellules β primaires de souris sans avoir besoin d’un rapporteur génétique, en utilisant Fluozin-3-AM, TMRE et MtPhagy ainsi que DAPI pour exclure les cellules mortes. En associant ces colorants à la valinomycine pour induire la mitophagie, ce protocole décrit une méthode à base de colorants pour mesurer sélectivement le flux de mitophagie dans les cellules β primaires de souris18. Pour les données présentées à l’aide de cette méthode MtPhagoy, la mitophagie basale et induite par la valinomycine a été analysée chez des îlots isolés de souris nourries avec un régime alimentaire régulier en graisses (RFD) ou un régime riche en graisses (HFD, 60 kcal% de matières grasses) afin d’évaluer l’effet du stress métabolique sur le flux de mitophagie. Pour identifier la population d’intérêt, les cellules ont été fermées à l’aide d’îlots RFD non traités. Les tensions FSC et SSC ont d’abord été ajustées pour obtenir une distribution uniforme des cellules sur un tracé SSC-A par rapport au FSC-A (Figure 1A). Pour sélectionner des cellules individuelles, à la fois FSC-H et FSC-H. FSC-W et SSC-H vs. Des diagrammes SSC-W ont été utilisés, où les multiplets ont été exclus en raison de leurs valeurs de signal de largeur plus élevées par rapport aux cellules individuelles (Figure 1B,C). Ensuite, les cellules DAPI-négatives ont été sélectionnées pour exclure les cellules mortes20 (Figure 1D). Après l’établissement des grilles primaires, des contrôles à coloration unique ont été utilisés pour établir des portes de fluorescence pour la Fluozine-3-AM, la MtPhagy et la TMRE (Figure 1E-G) ainsi que des contrôles de compensation pour la cytométrie en flux de fluorescence multicolore.
Une fois que ces grilles primaires et de fluorescence ont été établies, les cellules β à forte utilisation de la mitophagie ont été définies comme la population àfaible TMREà hauteteneur en Fluozine dans le quadrant 3 (Q3) en utilisant la RFD sans exposition à la valinomycine (Figure 1H). À l’aide de cette stratégie de déclenchement, les taux de mitophagie basale et induite par la valinomycine ont été caractérisés dans les îlots RFD et HFD (Figure 2). Pour quantifier le flux de mitophagie, basal vs. Les taux de mitophagie induite par la valinomycine ont été comparés en utilisant le rapport suivant :

À l’aide de ce rapport, le flux de mitophagie a été quantifié et comparé dans RFD vs. HFD β-cellules pour évaluer les différences de mitophagie suite à l’induction de l’obésité et de la résistance périphérique à l’insuline. Quantification du flux de mitophagie dans la RFD vs. Les échantillons HFD sont illustrés à la figure 2E. Ce résultat met en évidence la faisabilité de ce test pour quantifier la mitophagie dans les cellules β en utilisant une approche simple basée sur les colorants. Cette méthode peut également être employée dans les îlots humains, les cellules difficiles à transfecter et les îlots isolés à partir de modèles génétiques complexes où le croisement avec le modèle transgénique mt-Keima serait fastidieux.
Évaluation de la mitophagie à l’aide du rapporteur mt-Keima génétiquement codé
Mt-Keima est une protéine fluorescente à double excitation fusionnée avec une séquence de localisation Cox8 qui permet de la cibler sur la membrane mitochondriale interne. La propriété fluorescente bimodale de mt-Keima lui permet de faire passer ses spectres d’excitation de la longueur d’onde neutre (405 nm) à la longueur d’onde acide (561 nm), en fonction du pH du compartiment intracellulaire6. Cela permet une analyse de fluorescence ratiométrique robuste de la mitophagie, où une augmentation du rapport acide/neutre indique une induction de mitophagie. Dans ce protocole, la Fluozin-3-AM a également été utilisée pour sélectionner les cellules β par cytométrie en flux. Dans ces études représentatives, le flux mitophagique a été évalué à l’aide d’îlots isolés de souris nourries avec un régime RFD10,11. Les tensions FSC et SSC ont d’abord été ajustées pour obtenir une distribution uniforme des cellules sur un SSC-A vs. Tracé FSC-A (figure 3A). Pour sélectionner des cellules individuelles, à la fois FSC-H et FSC-H. FSC-W et SSC-H vs. Des diagrammes SSC-W ont été utilisés, où les multiplets ont été exclus en raison de leurs valeurs de signal de largeur plus élevées par rapport aux cellules individuelles (Figure 3B, C). La tension et la stratégie de déclenchement pour le DAPI et la Fluozin-3-AM ont été déterminées à l’aide d’îlots colorés à une seule couleur (Figure 3D,E). Des portes triangulaires pour les populations acides et neutres ont ensuite été identifiées à l’aide de l’échantillon positif au mt-Keima sans exposition à la valinomycine (figure 3F).
Une fois que ces portes primaires et de fluorescence ont été établies, le flux de mitophagie a été évalué à l’aide des changements basaux et induits par la valinomycine dans la fluorescence mt-Keima (Figure 3F,G). Pour quantifier le flux de mitophagie, la mitophagie basale vs. Les taux induits par la valinomycine ont été comparés à l’aide du rapport suivant :

À l’aide de ce rapport, le flux de mitophagie a été quantifié dans les cellules RFD. La quantification de ce résultat est illustrée à la figure 3H. Il est important de noter que ces résultats sont comparables à ceux obtenus dans les îlots RFD générés à l’aide de l’approche MtPhagy (Figure 3H).

Figure 1 : Schéma de contrôle pour la méthode MtPhago. (A) Diagramme de flux affichant le schéma de contrôle à sélectionner pour toutes les cellules. (B) Déclenchement pour sélectionner les singlets en fonction du FSC-H vs. FSC-W et (C) SSC-H c. SSC-W. (D) Déclenchement des cellules DAPI-négatives pour exclure les cellules mortes. (E) Déclenchement pour les celluleshautes de Fluozin-3-AM à sélectionner pour les cellules β. (F) Schéma de contrôle pour le colorant MtPhagy afin d’identifier les populations à cellulesélevées et àcellules faibles en MtPhago. (G) Schéma de contrôle pour l’ERM afin d’identifier les populationsà cellules élevées età faible TMRE. (H) Mise en place d’un schéma de contrôle des quadrants avec des îlots RFD non traités pour identifier les cellulesà forteteneuren Fluozine à haute teneur en TMRE dans le quadrant 3 (Q3) comme des cellules à β subissant une mitophagie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Évaluation des différences de flux de mitophagie dans les cellules β de souris suite à un stress métabolique à l’aide du schéma de déclenchement MtPhago. Graphiques représentatifs de cytométrie en flux de β(A) cellules RFD non traitées, (B) de cellules HFD non traitées, (B) de β cellules HFD non traitées, (C) de β cellules RFD RFD exposées à la valinomycine et (D) de cellules HFD β exposées à la valinomycine. (E) Quantification du flux de mitophagie dans les cellules β, calculée à l’aide d’un rapport entre les cellulesà faible TMREélevéde MtPhagy exposées à la valinomycine et les cellulesà faible TMREélevéde MtPhagy non exposées à la valinomycine, pour les échantillons RFD et HFD. *p < 0,05 par le test t non apparié de Student. n = 3/groupe. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Schéma de déclenchement pour la méthode mt-Keima et comparaison entre les deux méthodes. (A) Diagramme de flux affichant le schéma de contrôle à sélectionner pour toutes les cellules. (B) Déclenchement pour sélectionner les singlets en fonction du FSC-H vs. FSC-W et (C) SSC-H c. SSC-W. (D) Déclenchement des cellules DAPI-négatives pour exclure les cellules mortes. (E) Déclenchement pour les celluleshautes de Fluozin-3-AM à sélectionner pour les cellules β. (F) Diagrammes représentatifs de cytométrie en flux de cellules non traitées mt-Keima/+ et (G) de cellules exposées à la valinomycine mt-Keima/+. (H) Quantification du flux de mitophagie dans les cellules β de souris nourries par RFD, calculée à l’aide d’un rapport entre les cellules acides/neutres exposées à la valinomycine et le rapport des cellules acides/neutres non exposées à la valinomycine à l’aide de la méthode mt-Keima et comparée à la méthode MtPhagy (données pour le protocole MtPhagy présentées à l’origine à la figure 2E). n = 3/groupe. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
SAS a reçu une subvention d’Ono Pharmaceutical Co., Ltd. et est consultant pour Novo Nordisk.
Ce protocole décrit deux méthodes pour l’analyse quantitative de la mitophagie dans les cellules β pancréatiques : premièrement, une combinaison de colorants spécifiques aux mitochondries perméables aux cellules, et deuxièmement, un rapporteur de mitophagie génétiquement codé. Ces deux techniques sont complémentaires et peuvent être déployées en fonction de besoins spécifiques, ce qui permet une flexibilité et une précision dans l’adressage quantitatif du contrôle de la qualité mitochondriale.
E.L-D. reconnaît le soutien des NIH (T32-AI007413 et T32-AG000114). SAS reconnaît le soutien de la FRDJ (COE-2019-861), du NIH (R01 DK135268, R01 DK108921, R01 DK135032, R01 DK136547, U01 DK127747), du ministère des Anciens Combattants (I01 BX004444), de la famille Brehm et de la famille Anthony.
| Antibiotique-Antimycosique | Life Technologies | 15240-062 | |
| Attune NxT Cytomètre | en Flux Thermofisher Scientific | A24858 | |
| Dimethyl Sulfoxide | Sigma-Aldrich | 317275 | |
| Fatty Acid Free heat shock BSA poudre Equitech | BAH66 | ||
| Sérum fœtal bovin | Gemini Bio | 900-108 | |
| Fluozin-3AM  ; | Thermofisher Scientific  ; | F24195 | 100 &mu ; g Fluozin-3AM poudre reconstituée en 51 &mu ; L DMSO et 51 &mu ; L Pluronic F-127 pour atteindre 1 mM de stock. |
| Gibco  ; RPMI 1640 Medium | Fisher Scientific | 11-875-093 | |
| HEPES (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| MtPhagy dye | Dojindo | MT02-10 | 5 &mu ; g de poudre de MtPhagy reconstituée avec 50 &mu ; L DMSO pour atteindre 100 &mu ; M stock.  ; |
| MtPhagy colorant | Dojindo | MT02-10 | |
| Pénicilline-Streptomycine (100x) | Life Technologies | 15140-122 | 1x Solution utilisée dans le procotol par dilution 1:10 dans ddH2O |
| Solution saline tamponnée, 10x | Fisher Scientific | BP399-20 | 1x Solution utilisée dans le procotol par dilution 1:10 dans du ddH2 |
| O Pyruvate de sodium (100x) | Life Technologies | 11360-070 | 5 &mu ; g de poudre de MtPhagy reconstituée avec 50 &mu ; L DMSO pour atteindre 100 &mu ; M stock.  ; |
| TMRE [Tétraméthylrhodamine, ester éthylique, perchlorate] | Anaspec | AS-88061 | Poudre TMRE reconstituée dans DMSO pour atteindre 100 &mu ; Stock M. |
| Trypsine-EDTA (0,05 %), rouge de phénol | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
| Valinomycin | Sigma | V0627 | Poudre de valinomycine reconstituée dans le DMSO pour atteindre un stock de 250 nM. |