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Microscopie corrélative à la lumière et à l’électronique bicolore pour la visualisation des interactions entre les mitochondries et les lysosomes

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DOI :

10.3791/67020

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27 septembre 2024

 , 
1Neural circuit research group, Korea Brain Research Institute

Dans cet article

Résumé

Ce protocole décrit un mécanisme d’utilisation de la lumière corrélative et de la microscopie électronique pour visualiser l’interaction des mitochondries et des lysosomes marqués avec mEosEM et APEX2, respectivement.

Résumé

Les organites cellulaires, tels que les mitochondries et les lysosomes, présentent des structures dynamiques. Malgré la résolution plus élevée de la microscopie électronique à transmission pour l’analyse structurelle, la microscopie optique est essentielle pour la visualisation des organites dynamiques par marquage spécifique à la cible. Le protocole suivant décrit une méthode qui combine la lumière corrélative bicolore et la microscopie électronique (CLEM) pour observer les interactions entre les mitochondries et les lysosomes. Dans cette étude, les mitochondries ont été marquées avec mEosEM (Mito-mEosEM) et les lysosomes avec TMEM192-V5-APEX2. Les résultats obtenus à partir des images CLEM nous permettent d’observer les changements dans les interactions entre les mitochondries et les lysosomes dans des conditions de stress externe. Le traitement à la bafilomycine (BFA), qui inhibe la fonction lysosomale, a entraîné une augmentation du contact entre les mitochondries et les lysosomes, conduisant à la formation de mitochondries fragmentées piégées à l’intérieur des lysosomes. À l’inverse, le traitement à l’U18666A, qui inhibe l’exportation du cholestérol à partir des lysosomes, a fait en sorte que les lysosomes soient entourés de mitochondries, indiquant une forme distincte d’interaction. Cette étude présente une méthode efficace pour observer les interactions entre les mitochondries et les lysosomes dans les cellules fixes. De plus, l’imagerie CLEM avec des sondes bicolores offre un outil puissant pour les études futures de la dynamique des organites et de leurs implications pour la fonction cellulaire et la pathologie.

Introduction

Les mitochondries et les lysosomes sont les principaux organites membranaires essentiels au maintien de l’homéostasie cellulaire. Les mitochondries sont des organites cellulaires hautement dynamiques modulés par des événements de fission et de fusion1. En général, les mitochondries sont considérées comme la centrale électrique de la cellule et sont connues pour leur rôle important dans la phosphorylation oxydative, la production d’ATP et le stockage de métabolites tels que calcium2. En plus de leur rôle dans le métabolisme énergétique, les mitochondries sont impliquées dans un certain nombre d’autres processus de signalisation cellulaire, notamment l’apoptose3,4, la signalisation calcique5,6, et le métabolisme des lipides7,8. De même, les lysosomes sont des organites cellulaires hautement dynamiques qui jouent de multiples rôles en tant que centres de recyclage cellulaire pour maintenir la propreté cellulaire par la dégradation des protéines, l’autophagie, l’endocytose et la phagocytose9. Outre leur rôle dans la dégradation, les lysosomes jouent également des rôles dans la physiologie cellulaire tels que la détection des nutriments, l’homéostasie10, le métabolisme des lipides11 et la dédifférenciation cellulaire12.

Malgré l’existence de nombreuses études sur les fonctions des organites cellulaires individuels, nos recherches récentes se sont concentrées sur la diaphonie moins comprise entre les mitochondries et les lysosomes, dont il a été démontré qu’elle influence à la fois la physiologie cellulaire et la pathologie. Des contacts entre les mitochondries et les lysosomes ont été observés dans divers types de cellules, y compris les cellules cancéreuses, les neurones et les cellules dérivées de cellules souches pluripotentes induites (iPSC)13, et ils sont principalement observés sous stress cellulaire ou dans des maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson13,14 et la maladie de Charcot-Marie-Tooth15. Le contact entre les mitochondries et les lysosomes joue un rôle important dans le maintien de l’homéostasie métabolique par l’échange d’ions (par exemple, Ca2+)16, cholesterol17 et fer18 entre les deux organites. De plus, le contact entre les mitochondries et les lysosomes joue un rôle crucial dans le contrôle de la qualité des organites cellulaires. Par exemple, les mitochondries endommagées peuvent être ciblées pour la dégradation par le processus de mitophagie, dans lequel elles sont englouties par les autophagosomes et livrées aux lysosomes pour la dégradation. Par conséquent, l’élimination des mitochondries dysfonctionnelles peut être facilitée avant qu’elles ne causent d’autres dommages à la cellule ou aux mitochondries normales. Cette interaction entre les mitochondries et les lysosomes est cruciale pour maintenir l’homéostasie cellulaire et prévenir l’accumulation d’organites dysfonctionnels. Ainsi, seules les mitochondries endommagées sont éliminées de manière sélective, ce qui permet aux mitochondries saines de fonctionner de manière optimale au sein de la cellule.

La microscopie corrélative à la lumière et électronique (CLEM) est une technique d’imagerie qui a récemment attiré l’attention en tant que méthode de recherche en combinant les avantages de la microscopie optique (LM) et de la microscopie électronique (EM) pour fournir des informations structurelles détaillées à différentes échelles. Dans CLEM, un échantillon est d’abord imagé à l’aide de LM pour identifier des régions d’intérêt spécifiques, suivi d’étapes de préparation d’échantillon EM telles que la fixation, la déshydratation et l’intégration. Le même échantillon est ensuite observé au microscope électronique. Bien que des méthodes CLEM sur cellules vivantes aient été signalées récemment19,20,21,22, il reste difficile de combiner avec précision des images optiques d’échantillons biologiques hautement dynamiques avec des images de microscopie électronique de cellules fixes dans un seul plan. Pour les organites hautement dynamiques comme les mitochondries et les lysosomes, leur localisation précise peut changer lorsqu’ils sont observés en direct au microscope optique, et ils continuent à se déplacer même pendant le court délai nécessaire à la fixation.

Par conséquent, dans ce protocole, deux marqueurs moléculaires différents qui restent actifs même dans des solutions fixatrices ont été utilisés pour visualiser l’interaction entre les mitochondries et les lysosomes, qui jouent un rôle important dans le maintien de l’homéostasie métabolique par l’échange d’ions (par exemple, Ca2+)16, cholesterol17, et iron18 entre ces organites. Les constructions TMEM192-V5-APEX2 et Mito-mEosEM ont été utilisées pour observer les interactions des mitochondries et des lysosomes dans des cellules cultivées aux niveaux EM et LM. Pour les mitochondries, l’étiquette mEosEM a été sélectionnée pour sa capacité à préserver le signal de fluorescence lors de la préparation d’échantillons EM dans une solution fixatrice et OsO423. Pour les lysosomes, le marqueur APEX2, une protéine d’environ 28 kDa, a été utilisé pour étudier la localisation d’une protéine spécifique aux niveaux EM et LM 24. En présence de peroxyde d'hydrogène, le substrat de l'APEX2, Amplex-Red, forme un polymère insoluble qui peut être observé par microscopie confocale à l'endroit ciblé par l'étiquette. Dans ce protocole, CLEM bicolore a été utilisé pour visualiser la structure des interactions entre les lysosomes et les mitochondries dans les cellules fixes.

Protocole

Le flux de travail étape par étape pour la préparation des échantillons est illustré dans Figure 1.

1. Culture cellulaire et transfection

  1. Culture de cellules HeLa à une densité de 1 × 105 cellules dans des boîtes de culture en verre de 35 mm contenant du DMEM avec 10 % de sérum de veau fœtal et 100 U/mL de pénicilline et de streptomycine à 37 °C.
  2. Le lendemain de l'ensemencement des cellules, co-transfectez les cellules à une confluence de 30 % à 40 % avec les plasmides TMEM192-V5-APEX2 et Mito-mEosEM à l'aide du réactif de transfection conformément aux instructions du fabricant (1 μg chacun d'ADN plasmidique TMEM192-V5-APEX2 et Mito-mEosEM avec 3 μL de réactif de transfection). Après la transfection, traiter les cellules avec du DMSO ou du U18666A (2 μg/mL) et de la bafilomycine A1 (100 nM) pendant 18 h.

2. Imagerie microscopique confocale

  1. Après avoir traité les cellules avec de la bafilomycine et de l’U18666A pendant 18 h, retirer le milieu de culture et ajouter immédiatement 250 μL de solution fixatrice tiède (30 °C-37 °C) (2,5 % de glutaraldéhyde et 2 % de paraformaldéhyde dans une solution de cacodylate de sodium 0,1 M [pH 7,0]) par pipetage doux. Retirez immédiatement le fixateur, remplacez-le par 1,5 mL de fixateur frais et incubez sur de la glace pendant 30 min. Ensuite, laver les cellules pendant 3 x 10 min dans 1 mL de tampon de cacodylate de sodium 0,1 M glacé.
    REMARQUE : Les vapeurs d’aldéhyde sont toxiques. Toutes les expériences doivent être menées dans une hotte ventilée.
  2. Ajouter 1 mL de solution de glycine froide 20 mM pour tremper l’aldéhyde et incuber sur glace pendant 10 min. Laver 3 x 10 min dans un tampon de cacodylate de sodium froid 0,1 M.
  3. Préparez une solution fraîche contenant 300 μM d’Amplex-Red en ajoutant 10 mM de H2O2 à une solution de cacodylate de 0,1 M. Ajouter 500 μL de solution Amplex-Red dans la boîte d’échantillonnage et incuber pendant 5 min sur de la glace.
  4. Retirer la solution d’Amplex-Red et rincer 3 x 10 min avec un tampon de cacodylate de sodium 0,1 M.
  5. Après la coloration Amplex-Red, utilisez un microscope confocal pour imager la zone autour des cellules d’intérêt en mode de balayage de tuiles 3 x 3. Capturez à la fois le contraste interférentiel différentiel (DIC) et le signal de fluorescence pour identifier et enregistrer la grille et les lettres sur la parabole à l’aide d’un objectif 40x (ou 60x).
    REMARQUE : Ces images de synthèse servent de carte pour identifier des cellules cibles spécifiques dans les échantillons enrobés de plastique.
  6. Imagez les cellules cibles à fort grossissement à l’aide d’un objectif 40x (ou 60x) et acquérez une image Z-stack.
    REMARQUE : Cette image à fort grossissement est superposée à une image de microscope électronique pour créer une image corrélative.

3. Préparation de l’échantillon pour le bloc EM

  1. Après l’imagerie LM, ajouter 1 mL de tétroxyde d’osmium réduit à 1 % (préparé en contenant 3 % de ferrocyanure de potassium dans un tampon cacodylate 0,3 M avec un volume égal de tétroxyde d’osmium aqueux à 2 %) pour la postfixation à 4 °C pendant 1 h, puis rincer pendant 3 x 10 min avec de l’eau distillée à 4 °C.
    REMARQUE : Les vapeurs de tétroxyde d’osmium sont toxiques. Toutes les expériences doivent être effectuées dans une hotte ventilée.
  2. Rincer 3 x 10 min avec de l’eau distillée à température ambiante, puis déshydrater dans une série d’éthanol gradué pendant 15 min à chaque fois (50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 %, 100 % et 100 %) à température ambiante.
  3. Mélangez de l’éthanol avec de la résine époxy dans des rapports de volume de 3:1, 1:1 et 1:3, en préparant un total de 300 μL de chaque mélange. Versez chaque résine époxy dans le plat, en la laissant incuber à température ambiante pendant 1 h. Ensuite, utilisez la résine époxy à 100 % pour l’imprégnation pendant la nuit.
  4. Préparez la capsule d’enrobage ou le tube PCR en le remplissant de résine époxy fraîche, placez le tube ou la capsule à l’envers sur la région d’intérêt et placez-le dans un four à 60 °C pendant 48 h pour polymériser.

4. Coupe et imagerie TEM

  1. Une fois que la résine époxy a complètement polymérisé, séparez le verre inférieur du bloc de polymère en l’immergeant dans de l’azote liquide.
  2. Placez le bloc d’échantillon dans le porte-échantillon de l’ultramicrotome et placez-le dans le bloc de coupe. À l’aide d’une lame de rasoir, coupez la résine en une forme trapézoïdale ou rectangulaire autour de l’objet d’intérêt.
  3. Placez le bloc d’échantillon taillé dans le porte-échantillon et ajustez la lame diamantée. Assurez-vous que le bord d’attaque du bloc d’échantillon est parfaitement parallèle au bord de la lame diamantée.
  4. À l’aide d’un ultramicrotome, coupez des sections ultraminces à environ 60-70 nm des cellules encastrées à plat. Rassemblez les sections de série sur une grille de fentes revêtue de formvar et séchez-les sur une plaque chauffante.
  5. Colorez la section avec le colorant de contraste pendant 2 min et le citrate de plomb pendant 1 min.
  6. Placez la grille dans le porte-échantillon TEM pour l’observation. Identifiez la cellule cible d’intérêt sur la base de l’image DIC du microscope optique. Imagez l’ensemble de la zone de la cellule à l’aide d’images en mosaïque superposées avec un grossissement de 1 700x.

5. Assemblage d’images à l’aide d’imageJ Fidji.

  1. Pour commencer l’assemblage d’images, démarrez imageJ Fiji25 et cliquez sur Fichier | Nouveau | TrakEM2 (vierge) | Sélectionnez le dossier de stockage pour créer un nouveau projet TrakEM226 (Figure 2A1).
  2. Ouvrez le jeu de données d’image de vignette en glissant et en déposant les données d’image de vignette brutes dans l’espace de travail (Figure 2A2).
  3. Cliquez sur le bouton droit de la souris et sélectionnez Aligner | Montage de toutes les images de ce calque | élastique (correspondances de blocs non linéaires), puis cliquez sur OK pour accepter les valeurs par défaut des paramètres restants (Figure 2A3).
  4. Cliquez sur le bouton droit de la souris et sélectionnez Exporter | Créer une image plate pour créer une image assemblée, puis cliquez sur Fichier | Enregistrer sous pour enregistrer l’image.

6. Redimensionnement de l’image de fluorescence

  1. Ouvrez le logiciel d’agrandissement des photos (voir Table des matériaux). Cliquez sur Fichier | Ouvrez et sélectionnez l’image de fluorescence.
  2. Entrez la largeur et la hauteur de la même taille que l’image du microscope électronique, puis sélectionnez l’algorithme à appliquer dans la méthode de redimensionnement (Figure 2B1).
  3. Cliquez sur Fichier | Enregistrer sous pour enregistrer l’image redimensionnée.

7. Enregistrement d’images basé sur des points de repère avec le plugin Big Warp

  1. Ouvrez ImageJ Fiji et glissez-déposez la micrographie à fluorescence redimensionnée (image FM) et la micrographie électronique assemblée (image EM).
  2. Cliquez sur Plugins | Visionneuse de BigData | Big Wrap pour démarrer l’enregistrement, puis cliquez sur le menu déroulant pour sélectionner l’image FM comme image animée et l’image EM comme image cible (Figure 2C1).
    REMARQUE : Chaque image FM et EM aura trois nouvelles fenêtres contextuelles (image animée BigWrap, image fixe BigWrap et points de repère) pour afficher les points de repère.
  3. Comparez les images FM et EM à l’aide de fonctions telles que le zoom (molette de la souris), la rotation de l’image (déplacer la souris tout en maintenant le bouton gauche enfoncé) et le déplacement (déplacer la souris tout en maintenant le bouton droit enfoncé), puis appuyez sur la barre d’espace du clavier pour activer le mode Repère, puis appuyez sur le bouton gauche de la souris pour marquer au moins trois points de repère identifiés dans les images FM et EM ( Figure 2C2, points roses et flèche rouge).
  4. Après avoir marqué tous les points de repère identifiés, allez à Fichier | Exportation d’images animées | OK et une nouvelle fenêtre contextuelle apparaîtra avec l’image FM transformée (Figure 2C3).
    REMARQUE : La fenêtre contextuelle nouvellement créée est une image FM transformée en fonction du point de repère. Examinez l’alignement et apportez des ajustements, si nécessaire, en ajoutant ou en modifiant des points de repère et en recalculant la transformation.
  5. Cliquez sur Fichier | Enregistrer sous pour enregistrer l’image FM transformée.

8. Superposition d’images CLEM

  1. Dans ImageJ, faites glisser et déposez l’image FM transformée et l’image EM assemblée.
  2. Cliquez sur l’image | Type | Couleur 8 bits pour définir le même type d’image pour les images LM et EM (Figure 2D1).
    REMARQUE : L’image EM doit être convertie deux fois dans l’ordre suivant : 8 bits -> Couleur RVB -> Couleur 8 bits.
  3. Cliquez sur l’image | Couleur >| Fusionnez les canaux pour combiner les images en une image composite en sélectionnant les images FM et EM dans le menu déroulant, respectivement (Figure 2D2).
  4. Cliquez sur Fichier | Enregistrer sous pour enregistrer l’image CLEM.

Résultats

Afin de visualiser les interactions entre les mitochondries et les lysosomes à l'aide de ce protocole CLEM à double coloration, nous avons utilisé Mito-mEosEM et TMEM192-V5-APEX2. Les cellules fixées ont d'abord été observées au microscope optique, puis soumises à un échantillonnage et à une imagerie en microscopie électronique. Les résultats des images corrélées sont présentés dans la Figure 3A,B et la Figure 4A. En suivant le protocole décrit ci-dessus, nous avons vérifié si nous pouvions observer les modifications des interactions entre mitochondries et lysosomes sous stress externe.

Le traitement des cellules avec la BFA, un inhibiteur de la V-ATPase lysosomale, inhibe l'autophagie, entraînant une réduction de la qualité mitochondriale et une augmentation des interactions entre les mitochondries et les lysosomes27. Dans les cellules traitées à la BFA, nous avons observé des mitochondries piégées à l'intérieur des lysosomes (Figure 3B), par rapport aux cellules contrôles traitées au DMSO (Figure 3A). Bien qu'il soit difficile de distinguer, sur les micrographies électroniques seules, les mitochondries fragmentées et denses électroniquement et les compartiments cellulaires à l'intérieur des lysosomes, ils peuvent être facilement différenciés sur des images corrélées (Figure 3B1,B2). La structure de perturbation mitochondriale (Figure 3A1,A2 ; flèche bleue) observée dans les mitochondries des cellules traitées au DMSO n'est pas liée aux lysosomes, et la structure visible sur l'image de fluorescence, qui semble être un lysosome piégé à l'intérieur d'une grande mitochondrie, correspond à une structure dans laquelle la mitochondrie entoure le lysosome (Figure 3A2 ; flèche rouge).

Ensuite, nous avons testé les effets de l'U18666A (2 µg/mL pendant 18 h), un inhibiteur bien connu de NPC1 qui bloque le déplacement du cholestérol hors des lysosomes28. Les cellules traitées à l'U18666A ont montré une interaction directe accrue entre les mitochondries et les lysosomes (Figure 4). De plus, les contacts entre les mitochondries et les lysosomes dans les échantillons traités à l'U18666A différaient de ceux observés dans les échantillons traités à la BFA. Dans les cellules HeLa traitées à la BFA, la mitochondrie fragmentée est complètement piégée dans le lysosome, une morphologie de mitophagie déjà rapportée12,29. Toutefois, dans le groupe traité à l'U18666A, certains lysosomes positifs pour TMEM192 apparaissent englobés par la mitochondrie (Figure 4D,E)30,31.

Schéma du flux opératoire de préparation et d'imagerie : transfection, marquage APEX2, microscopie confocale, analyse en microscopie électronique en transmission (TEM).
Figure 1 : Schéma général de la microscopie électronique corrélative (CLEM) basée sur la TEM à l’aide d’une sonde fluorescente génétiquement marquée. (A) Des cellules HeLa ont été cultivées dans des boîtes de culture de 35 mm à fond en verre quadrillé. (B) Les cellules fixées ont été marquées avec l’Amplex-Red par la protéine APEX2. (C) Des images de fluorescence ont été acquises à l’aide d’un microscope confocal. Un plateau motorisé et la fonction de balayage en mosaïque ont permis d’obtenir une image d’ensemble étendue ainsi qu’une image haute résolution de la cellule cible. L’image étendue sert de carte de navigation pour localiser la cellule cible dans les échantillons inclus en plastique. (D) Poursuivre par une post-fixation et une déshydratation suivie d’un encrage. (E) L’encrage a été réalisé à l’aide d’un tube PCR ou d’une capsule BEEM remplie de résine, placée au-dessus de la cellule cible sur le lamelle. (F) Après polymérisation de la résine, le retrait du lamelle a laissé une empreinte du quadrillage sur la surface inférieure du bloc. (G) La cellule cible a été localisée grâce au motif imprimé sur la surface de la résine, puis des coupes d’environ 60 nm d’épaisseur ont été réalisées à l’aide d’un ultramicrotome. (H) Des coupes séries ont été récupérées sur une grille en cuivre à fenêtre recouverte de formvar. (I) Les grilles ont été observées en microscopie électronique en transmission. Abréviations : TEM = microscopie électronique en transmission ; CLEM = microscopie correlative lumière-électron ; ROI = région d’intérêt. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Diagramme de traitement d'image : assemblage d'images, redimensionnement de la fluorescence, registration par points de repère, superposition CLEM.
Figure 2 : Traitement des images et génération de l'image CLEM à l'aide de ImageJ Fiji. (A1) Interface graphique principale de Fiji et de TrakEM2. (A2) Importation du jeu de données d'images en mosaïque acquises en MET à un grossissement de 1 700x. (A3) Alignement et exemple d'une image assemblée à l'aide de la méthode d'alignement d'image de TrakEM2. (B1-B3) Conversion d'une petite micrographie en lumière en images grandes et de haute qualité à l'aide d'un logiciel d'agrandissement photographique. (C1-C3) Flux de travail pour la registration entre des images de microscopie optique et des images de microscopie électronique à l'aide du logiciel plug-in Big Wrap. (D1-D3) Processus de superposition d'une image de FM transformée et d'une image de ME afin de synthétiser une image de microscope corrélée. Abréviations : TEM = microscopie électronique en transmission ; CLEM = microscopie correlative en lumière et en électron ; FM = microscopie de fluorescence. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Schéma CLEM, microscopie confocale et TEM ; localisation des mitochondries et des lysosomes ; analyse des structures cellulaires
Figure 3 : Images CLEM des sites de contact mitochondries-lysosomes traitées ou non avec la bafilomycine A1. Des cellules HeLa ont été co-transfectées avec Mito-mEosEM (mitochondries ; vert) et TMEM192-APEX2 (lysosomes ; rouge), puis colorées avec le colorant Amplex-Red. (A) Cellules HeLa non traitées. Les informations moléculaires provenant du signal de fluorescence (panneau gauche) et les informations ultrastructurales obtenues par microscopie électronique en transmission (TEM) (panneau central) ont été superposées (panneau droit), en se basant sur le signal et la morphologie mitochondriales. (A1,A2) Chez les cellules HeLa non traitées, la membrane interne mitochondriale est rompue (flèche bleue), ou bien les mitochondries et les lysosomes sont très proches l’un de l’autre (flèche rouge). (B1,B2) Chez les cellules HeLa traitées avec la bafilomycine A1 pendant 18 h, une mitophagie, caractérisée par l’emprisonnement de mitochondries non dégradées dans les lysosomes, a été observée (flèche verte). Échelles = 1 µm (A1,A2,B1,B2). Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Images de microscopie confocale, MET et CLEM des mitochondries (vert) et des lysosomes (rouge) dans les cellules.
Figure 4 : Images CLEM des sites de contact entre mitochondries et lysosomes traités avec l'U18666A (A) Images CLEM en deux couleurs de cellules HeLa exprimant Mito-mEosEM et TMEM192-V5-APEX2 (marquées au Amplex-Red) après traitement par l'U18666A (2 µg/mL pendant 18 h). (A1,A2) Les flèches rouges indiquent les sites de contact entre les mitochondries et les lysosomes. Échelles = 1 µm. (B1-B3,C1-C3) La flèche rouge indique l'apparition d'une fusion inter-organites entre mitochondries et lysosomes, observée sur des images en série. Échelles = 500 nm (B1-B3). Échelles = 1 µm (C1-C3). (D,E) Images en microscopie électronique à transmission (MET) à fort grossissement des sites de fusion entre mitochondries et lysosomes. Des couleurs factices sont utilisées pour distinguer la mitochondrie (vert) du lysosome (rouge). Échelles = 100 nm. Veuillez cliquer ici pour visualiser une version agrandie de cette figure.

Discussion

Ce protocole décrit un CLEM bicolore pour observer l’interaction des mitochondries et des lysosomes dans les cellules fixes à l’aide de marqueurs mEosEM et APEX2 génétiquement codés. Au cours des dernières décennies, les progrès de la microscopie ont considérablement amélioré la capacité d’observer les changements dans les réseaux d’organites32,33, et l’étude des interactions entre les organites est devenue de plus en plus intéressante. La microscopie à super-résolution a été utilisée pour observer les changements dans les contacts hautement dynamiques entre les mitochondries et les lysosomes 34,35,36. Cependant, malgré l’utilisation de la microscopie à super-résolution, il est difficile de distinguer les changements d’épaisseur des membranes mitochondriales internes et externes (environ 22 nm) et des jonctions crêtes (environ 28 nm)37. La microscopie électronique à transmission présente l’avantage de pouvoir observer la structure d’échantillons biologiques à très haute résolution mais présente l’inconvénient que les images ne peuvent être visualisées qu’en noir et blanc, ce qui rend difficile la distinction des organites dans les images complexes. Dans notre protocole, nous avons utilisé une méthode CLEM qui combine les avantages de la microscopie optique et de la microscopie électronique pour surveiller l’interaction de deux organites différents en les colorant avec des couleurs différentes. En particulier, le CLEM bicolore est un outil inestimable pour observer et analyser la mitophagie, le processus de dégradation mitochondriale au sein des lysosomes, comme le montre la figure 3.

L’imagerie de cellules vivantes est généralement réalisée dans des conditions physiologiques, ce qui permet aux chercheurs d’observer les processus cellulaires dynamiques en temps réel. Cependant, les techniques de microscopie électronique nécessitent souvent des procédures de préparation d’échantillons longues, y compris la fixation et la coloration. Le délai entre l’imagerie de cellules vivantes et la préparation des échantillons de microscopie électronique limite la résolution temporelle de la technique et peut entraîner des événements cellulaires dynamiques potentiellement manqués. Pour surmonter les limites du CLEM sur cellules vivantes, nous avons développé une méthode CLEM bicolore dans laquelle la sonde mEosEM23 et le colorant chimique (Amplex-Red) sont colorés par l’enzyme de marquage de proximitéAPEX2 38 sans perdre le signal de fluorescence, même dans des environnements fixateurs difficiles. Dans une précédente étude CLEM sur cellules vivantes39, des divergences ont été constatées entre les signaux de fluorescence et les images EM en raison de problèmes de résolution temporelle dans l’échantillonnage TEM après l’imagerie de cellules vivantes et de limitations techniques dans la préparation des échantillons. Cependant, en acquérant des images de fluorescence de cellules fixes pendant un temps suffisant (imagerie z-stack de cellules entières à fort grossissement), nous pouvons résoudre le problème de résolution temporelle et améliorer la corrélation entre les images LM et EM (Figure 3 et Figure 4).

Un autre facteur clé pour obtenir des résultats CLEM réussis est la façon de recaler avec précision l’image LM avec l’image EM. Pour ce faire, nous avons d’abord utilisé une combinaison de modes d’imagerie DIC et de fluorescence pendant l’imagerie en microscopie optique pour créer une carte de navigation autour des cellules cibles. À l’aide de cette carte de navigation, nous avons pu facilement identifier les cellules d’intérêt sur l’ultramicrotome et le TEM. Deuxièmement, en acquérant des images de tuiles TEM de cellules entières à fort grossissement, nous avons pu obtenir de nombreux points de repère qui pourraient être utilisés pour le recalage d’images. D’après notre expérience, plus le nombre de points de repère est élevé, meilleure est la précision d’alignement des images LM et EM dans le plugin Big Warp.

Dans cette étude, nous avons montré les domaines d’interaction des lysosomes et des mitochondries avec des résultats CLEM à haute résolution. De plus, la sonde bicolore permettait de distinguer précisément les mitochondries et les lysosomes. Cependant, cette méthode présente certaines limites. Tout d’abord, si le temps de réaction lors du marquage proximal d’Amplex-Red par l’enzyme APEX2 est trop long, l’Amplex-Red se diffusera et se colorera plus largement que l’emplacement de la protéine cible38. Deuxièmement, l’épaisseur (volume de l’axe z) de la zone où le lysosome est englouti dans les mitochondries est assez petite, de sorte que la fusion des deux membranes d’organites ne peut pas être déterminée dans une coupe en série de 50 nm d’épaisseur. De plus, l’alignement précis de l’axe z d’une coupe optique au microscope optique et d’une section mécanique par ultramicrotome constitue un défi important. Pour surmonter ces limitations, le CLEM bicolore peut être utilisé en combinaison avec la tomographie électronique conventionnelle40 ou le volume de section série CLEM41.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Remerciements

Cette recherche a été soutenue par le programme de recherche fondamentale KBRI par l’intermédiaire de l’Institut coréen de recherche sur le cerveau financé par le ministère des Sciences et des TIC (24-BR-01-03). Les plasmides TMEM192-V5-APEX2 ont été aimablement fournis par Hyun-Woo Rhee (Université nationale de Séoul). Les données TEM ont été acquises dans les installations centrales de recherche sur le cerveau du KBRI.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Produits chimiques et réactifs
25 % GlutaraldéhydeMicroscopie électronique Sciences16200Les fumées d’aldéhyde sont extrêmement toxiques. Utiliser uniquement dans la hotte.
30 % Peroxyde d’hydrogèneSolution Merck107210
4 % Solution de paraformaldéhydeBiosesangPC2031-100-00Les fumées de ldéhyde sont extrêmement toxiques. Utiliser uniquement dans la hotte.
Amplex RedThermoFisherA12222
Epon 812Microscopie électronique Sciences14120
ÉthanolMerck100983
Fugene HDPromegaE2311Transfection plasmidique
GlycineSIGMAG8898
Citrate de plomb 3 %Microscopie électronique Sciences22410
Tétoxyde d’osmium 4 % solution aqueuseMicroscopie électronique Sciences16320Très toxique. Utiliser uniquement dans la hotte.
Hexacyanoferrate(II) de potassium trihydratéSIGMAP3289
Cacodylate de sodium trihydratéSigma-AldrichC0250-500G
Acétate d’uranyleMicroscopie électronique Sciences22400
Coloration EM UranyLessMicroscopie électronique Sciences22409
Construction plasmidique
Mito-mEosEMaddgene132706DOI :  ; 10.1016/j.chembiol.2024.02.007
TMEM192-V5-APEX2Sharma N.  ; et al.N/ADOI :  ; 10.1016/j.chembiol.2024.02.007
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Références

  1. Giacomello, M., Pyakurel, A., Glytsou, C., Scorrano, L. The cell biology of mitochondrial membrane dynamics. Nat Rev Mol Cell Biol. 21 (4), 204-224 (2020).
  2. Spinelli, J. B., Haigis, M. C. The multifaceted contributions of mitochondria to cellular metabolism. Nat Cell Biol. 20 (7), 745-754 (2018).
  3. Lopez, J., Tait, S. W. G. Mitochondrial apoptosis: Killing cancer using the enemy within. Br J Cancer. 112 (6), 957-962 (2015).
  4. Wang, C., Youle, R. J. The role of mitochondria in apoptosis*. Annu Rev Genet. 43, 95-118 (2009).
  5. Rossi, A., Pizzo, P., Filadi, R. Calcium, mitochondria and cell metabolism: A functional triangle in bioenergetics. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 1866 (7), 1068-1078 (2019).
  6. Giorgi, C., Marchi, S., Pinton, P. The machineries, regulation and cellular functions of mitochondrial calcium. Nat Rev Mol Cell Biol. 19 (11), 713-730 (2018).
  7. Talari, N. K., et al. Lipid-droplet associated mitochondria promote fatty-acid oxidation through a distinct bioenergetic pattern in male wistar rats. Nat Commun. 14 (1), 766(2023).
  8. Enkler, L., et al. Arf1 coordinates fatty acid metabolism and mitochondrial homeostasis. Nat Cell Biol. 25 (8), 1157-1172 (2023).
  9. Trivedi, P. C., Bartlett, J. J., Pulinilkunnil, T. Lysosomal biology and function: Modern view of cellular debris bin. Cells. 9 (5), 1131(2020).
  10. Mony, V. K., Benjamin, S., O'Rourke, E. J. A lysosome-centered view of nutrient homeostasis. Autophagy. 12 (4), 619-631 (2016).
  11. Thelen, A. M., Zoncu, R. Emerging roles for the lysosome in lipid metabolism. Trends Cell Biol. 27 (11), 833-850 (2017).
  12. Ma, X., et al. Mitochondria-lysosome-related organelles mediate mitochondrial clearance during cellular dedifferentiation. Cell Rep. 42 (10), 113291(2023).
  13. Kim, S., Wong, Y. C., Gao, F., Krainc, D. Dysregulation of mitochondria-lysosome contacts by gba1 dysfunction in dopaminergic neuronal models of Parkinson's disease. Nat Commun. 12 (1), 1807(2021).
  14. Pickrell, A. M., Youle, R. J. The roles of pink1, parkin, and mitochondrial fidelity in parkinson's disease. Neuron. 85 (2), 257-273 (2015).
  15. Wong, Y. C., Peng, W., Krainc, D. Lysosomal regulation of inter-mitochondrial contact fate and motility in charcot-marie-tooth type 2. Dev Cell. 50 (3), 339-354.e4 (2019).
  16. Peng, W., Wong, Y. C., Krainc, D. Mitochondria-lysosome contacts regulate mitochondrial Ca(2+) dynamics via lysosomal trpml1. Proc Natl Acad Sci U S A. 117 (32), 19266-19275 (2020).
  17. Juhl, A. D., et al. Quantitative imaging of membrane contact sites for sterol transfer between endo-lysosomes and mitochondria in living cells. Sci Rep. 11 (1), 8927(2021).
  18. Khalil, S., et al. A specialized pathway for erythroid iron delivery through lysosomal trafficking of transferrin receptor 2. Blood Adv. 1 (15), 1181-1194 (2017).
  19. Russell, M. R., et al. 3d correlative light and electron microscopy of cultured cells using serial blockface scanning electron microscopy. J Cell Sci. 130 (1), 278-291 (2017).
  20. Van Rijnsoever, C., Oorschot, V., Klumperman, J. Correlative light-electron microscopy (clem) combining live-cell imaging and immunolabeling of ultrathin cryosections. Nat Methods. 5 (11), 973-980 (2008).
  21. Loginov, S. V., et al. Correlative organelle microscopy: Fluorescence guided volume electron microscopy of intracellular processes. Front Cell Dev Biol. 10, 829545(2022).
  22. De Beer, M., et al. Visualizing biological tissues: A multiscale workflow from live imaging to 3D cryo-CLEM. Microscopy and Microanalysis. 27 (S2), 11-12 (2021).
  23. Fu, Z., et al. Meosem withstands osmium staining and epon embedding for super-resolution clem. Nat Methods. 17 (1), 55-58 (2020).
  24. Lam, S. S., et al. Directed evolution of apex2 for electron microscopy and proximity labeling. Nat Methods. 12 (1), 51-54 (2015).
  25. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  26. Cardona, A., et al. Trakem2 software for neural circuit reconstruction. PLoS One. 7 (6), e38011(2012).
  27. Redmann, M., et al. Inhibition of autophagy with bafilomycin and chloroquine decreases mitochondrial quality and bioenergetic function in primary neurons. Redox Biol. 11, 73-81 (2017).
  28. Lu, F., et al. Identification of npc1 as the target of u18666a, an inhibitor of lysosomal cholesterol export and ebola infection. eLife. 4, e12177(2015).
  29. Jung, M., Choi, H., Mun, J. Y. The autophagy research in electron microscopy. Appl Microsc. 49 (1), 11(2019).
  30. Hao, T., et al. Hypoxia-reprogramed megamitochondrion contacts and engulfs lysosome to mediate mitochondrial self-digestion. Nat Commun. 14 (1), 4105(2023).
  31. Hoglinger, D., et al. Npc1 regulates ER contacts with endocytic organelles to mediate cholesterol egress. Nat Commun. 10 (1), 4276(2019).
  32. Jung, M., Mun, J. Y. Mitochondria and endoplasmic reticulum imaging by correlative light and volume electron microscopy. J Vis Exp. (149), e59750(2019).
  33. Ohta, K., Hirashima, S., Miyazono, Y., Togo, A., Nakamura, K. I. Correlation of organelle dynamics between light microscopic live imaging and electron microscopic 3d architecture using fib-sem. Microscopy (Oxf). 70 (2), 161-170 (2021).
  34. Wang, H., et al. Lysosome-targeted biosensor for the super-resolution imaging of lysosome-mitochondrion interaction. Front Pharmacol. 13, 865173(2022).
  35. Chen, Q., et al. Quantitative analysis of interactive behavior of mitochondria and lysosomes using structured illumination microscopy. bioRxiv. , (2018).
  36. Wong, Y. C., Ysselstein, D., Krainc, D. Mitochondria-lysosome contacts regulate mitochondrial fission via rab7 gtp hydrolysis. Nature. 554 (7692), 382-386 (2018).
  37. Perkins, G., et al. Electron tomography of neuronal mitochondria: Three-dimensional structure and organization of cristae and membrane contacts. J Struc Biol. 119 (3), 260-272 (1997).
  38. Sharma, N., Jung, M., Mishra, P. K., Mun, J. Y., Rhee, H. -W. Flex: Genetically encodable enzymatic fluorescence signal amplification using engineered peroxidase. Cell Chem Biol. 31 (3), 502-513.e506 (2024).
  39. Jung, M., Choi, H., Kim, J., Mun, J. Y. Correlative light and transmission electron microscopy showed details of mitophagy by mitochondria quality control in propionic acid treated sh-sy5y cell. Materials (Basel). 13 (19), (2020).
  40. Mourik, M. J., et al. Methods Cell Biol. Müller-Reichert, T., Verkade, P. 124, Academic Press. 71-92 (2014).
  41. Hegermann, J., et al. Volume-clem: A method for correlative light and electron microscopy in three dimensions. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 317 (6), L778-L784 (2019).

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