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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentiamo un protocollo in due fasi per l'isolamento dei mitocondri di alta qualità che è compatibile con la scoperta e la quantificazione delle proteine su scala proteoma. Il nostro protocollo non richiede ingegneria genetica ed è quindi adatto per studiare i mitocondri da qualsiasi cellula e tessuto primario.
La maggior parte dei processi fisiologici e patologici, dal metabolismo centrale alla risposta immunitaria alla neurodegenerazione, coinvolgono i mitocondri. Il proteoma mitocondriale è composto da più di 1.000 proteine e l'abbondanza di ciascuna può variare dinamicamente in risposta a stimoli esterni o durante la progressione della malattia. Qui, descriviamo un protocollo per isolare mitocondri di alta qualità da cellule e tessuti primari. La procedura in due fasi comprende (1) omogeneizzazione meccanica e centrifugazione differenziale per isolare i mitocondri grezzi e (2) cattura immunitaria senza tag dei mitocondri per isolare organelli puri ed eliminare i contaminanti. Le proteine mitocondriali di ogni stadio di purificazione vengono analizzate mediante spettrometria di massa quantitativa e vengono calcolati i rendimenti di arricchimento, consentendo la scoperta di nuove proteine mitocondriali mediante proteomica sottrattiva. Il nostro protocollo fornisce un approccio sensibile e completo allo studio del contenuto mitocondriale in linee cellulari, cellule primarie e tessuti.
I mitocondri sono organelli complessi e dinamici in grado di percepire e adattarsi alle esigenze metaboliche della cellula. Al centro della complessità del metabolismo cellulare, i mitocondri agiscono come centri metabolici in cui convergono le reazioni di metabolismo di carboidrati, proteine, lipidi, acidi nucleici e cofattori1. Servono anche come organelli di segnalazione per le vie della risposta immunitaria innata e in risposta ai cambiamenti negli ioni e nelle specie reattive dell'ossigeno 2,3. Ad oggi, circa 1.100 proteine sono state mappate sui mitocondri 4,5,6, ma possiamo supporre che molte altre rimangano da scoprire, specialmente quelle espresse solo in determinati tipi di cellule o transitoriamente in specifiche condizioni ambientali. Lo sviluppo di nuovi approcci per quantificare i cambiamenti nella composizione mitocondriale negli stati metabolici di interesse aumenterà la nostra conoscenza di questi organelli ed evidenzierà nuove vie terapeutiche per i disturbi caratterizzati da disfunzione mitocondriale7.
Attualmente sono disponibili diversi protocolli di isolamento dei mitocondri, con rese e livelli di purezza 8diversi. Gli approcci basati sulla centrifugazione sono i più popolari, grazie alla loro semplicità e al basso costo. Sebbene sia adatta alla maggior parte delle applicazioni, la centrifugazione differenziale ha lo svantaggio di ottenere una purezza mitocondriale inferiore e di richiedere grandi quantità di materiale di partenza quando vengono utilizzate applicazioni basate su gradienti di densità più complesse. Negli ultimi anni sono emersi nuovi metodi per l'isolamento dei mitocondri, come la cattura immunitaria basata su tag ("MITO-IP")9 e la selezione di organelli attivati dalla fluorescenza10. Sebbene entrambe le procedure possano generare campioni con elevata purezza, la prima richiede l'ingegneria genetica per marcare i mitocondri per la purificazione di affinità, rendendo i protocolli incompatibili con materiale primario proveniente da organismi non modificati o donatori umani. Nel frattempo, quest'ultimo dipende dall'accesso alla citometria a flusso e agli strumenti di selezione. La combinazione di diversi metodi di isolamento offre la promessa di generare protocolli più robusti e una maggiore purezza.
Qui, presentiamo un nuovo protocollo per l'isolamento dei mitocondri basato sulla combinazione di due metodi esistenti: (1) centrifugazione differenziale per isolare una frazione mitocondriale grezza e (2) cattura immunitaria senza tag dei mitocondri con perline superparamagnetiche legate covalentemente agli anticorpi contro la translocasi della membrana mitocondriale esterna 22 (Tomm22)11, una proteina ubiquitaria della membrana mitocondriale esterna (Figura 1). La procedura che descriviamo è compatibile con la spettrometria di massa quantitativa delle proteine e, poiché è priva di tag e non richiede manipolazione genetica, può essere applicata a una vasta gamma di modelli di ricerca, dalle linee cellulari ai fluidi corporei ai tessuti animali interi. Inoltre, l'uso di due fasi nel protocollo consente l'uso della proteomica sottrattiva 6,12 per la scoperta di nuove proteine mitocondriali e lo studio della loro espressione.
I guanti devono essere indossati in ogni momento e le fasi di coltura cellulare eseguite sotto un cappuccio a flusso laminare. Le cellule sono mantenute in un incubatore a 37 °C con il 5% di CO2. La ricerca presentata in questo protocollo è stata approvata ed eseguita in conformità con l'Università di Losanna e le linee guida svizzere per l'uso di animali.
1. Coltura della linea cellulare di macrofagi RAW264.7
2. Isolamento e coltura di macrofagi derivati dal midollo osseo (BMDM)
NOTA: il protocollo descritto qui è per un singolo mouse e può essere ridimensionato per più mouse. Protocolli dettagliati per l'isolamento e la coltura BMDM sono stati descritti altrove13,14.
3. Preparazione di una frazione mitocondriale grezza mediante centrifugazione differenziale
NOTA: Eseguire tutte le fasi di centrifugazione a 4 °C. Sono necessarie due centrifughe, una con rotore oscillante e adattatori per tubi conici con una forza centrifuga relativa di almeno 300 x g, l'altra con una forza centrifuga relativa di almeno 21.000 x g adatta per tubi da 1,5 ml. Quando si utilizzano celle aderenti, utilizzare un raschietto cellulare.
4. Purificazione dei mitocondri basata su anticorpi superparamagnetici
NOTA: eseguire tutti i seguenti passaggi in una cella frigorifera a 4 °C.
Nel presente protocollo vengono generati tre campioni con gradi crescenti di purezza mitocondriale: cellule totali, mitocondri grezzi ("mito-grezzi") e mitocondri puri ("mito-puri") (Figura 1). Abbiamo convalidato la purificazione dei mitocondri dalla linea cellulare macrofagica RAW264.7 caricando quantità proteiche uguali di ciascuna frazione su un gel e immunoblotting, e abbiamo scoperto che la citrato sintasi mitocondriale (Cs) era arricchita ad ogni fase di purificazione; nel frattempo, le proteine del citosol (GAPDH), della membrana plasmatica (Na/K ATPasi), del nucleo (Lamin B), dei lisosomi (Lamp1) e del reticolo endoplasmatico (ER) (Pdi) sono progressivamente scomparse (Figura 2A). Risultati simili sono stati ottenuti utilizzando BMDM. Per un'ulteriore convalida della purezza e dell'integrità dei mitocondri isolati, è stata eseguita la microscopia elettronica sulla frazione mitocondriale pura. Abbiamo osservato mitocondri con una classica forma ovale e creste intatte circondate da particelle dense di elettroni corrispondenti alle perle rivestite di anticorpi (Figura 2B). Pertanto, si può concludere che il nostro protocollo arricchisce i mitocondri, esaurisce altri componenti cellulari e mantiene l'integrità strutturale mitocondriale.
Successivamente, è stata eseguita un'analisi del proteoma di ciascuna frazione utilizzando la cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa (LC / MS). Sono state identificate un totale di 6.248 proteine nell'estratto da cellule totali, 907 delle quali erano state precedentemente annotate come mitocondriali nell'inventario MitoCarta3.05. Dopo aver filtrato le proteine con una soglia di almeno due peptidi unici, abbiamo calcolato un punteggio di arricchimento per ciascuna proteina in ciascun campione in base alla loro intensità rispetto alle cellule totali. Abbiamo quindi assegnato le proteine a sette principali compartimenti subcellulari: mitocondri, ER, lisosomi, apparato di Golgi, citoscheletro, nucleo e citosol, usando Gene Ontology (GO) 16,17 e MitoCarta3.05 come riferimenti. È importante sottolineare che è stato osservato un arricchimento medio per le proteine mitocondriali di oltre 10 volte e più di 20 volte nelle frazioni mitocondriali grezze e pure, rispettivamente, (Figura 2C). Al contrario, i componenti degli altri sei compartimenti cellulari analizzati sono stati esauriti durante la procedura di purificazione. Di particolare rilievo, nella frazione mitocondriale grezza, abbiamo osservato un arricchimento transitorio per ER e proteine lisosomiali, due classi di proteine contaminanti frequentemente presenti seguendo protocolli di centrifugazione differenziale18. Ciò era probabilmente dovuto alle interazioni organello-organello e a coefficienti simili di sedimentazione, specialmente per i lisosomi, che sono molto abbondanti nei macrofagi19. Mentre entrambi erano per lo più esauriti dopo la cattura immunitaria, abbiamo rilevato un piccolo segnale per le proteine dai siti di contatto ER-mitocondri nella frazione mito-pura.
Abbiamo quindi confrontato direttamente l'abbondanza proteica dalle cellule totali e dai campioni mito-puri e abbiamo osservato due popolazioni distinte, corrispondenti a proteine mitocondriali e non mitocondriali (Figura 2D). Mentre la stragrande maggioranza delle proteine MitoCarta si raggruppava insieme, ne abbiamo trovate alcune (<5%) che si raggruppavano con proteine non MitoCarta. Queste proteine possono rappresentare (1) proteine citosoliche che interagiscono con i mitocondri (una nuova categoria annotata nella versione 3.0 di MitoCarta), (2) proteine a doppia localizzazione o (3) proteine erroneamente annotate. Al contrario, abbiamo trovato alcuni casi di proteine non-MitoCarta raggruppate con proteine mitocondriali. Mentre tali proteine possono rappresentare contaminanti della procedura di isolamento, possono anche rappresentare proteine non precedentemente classificate come presenti nei mitocondri.
Per studiare questa nuova classe di potenziali proteine mitocondriali, è stata utilizzata la proteomica sottrattiva, un approccio che si è rivelato utile per la scoperta di proteomi organellari, tra cui i mitocondri 6,12. La proteomica sottrattiva presuppone che i mitocondri dovrebbero arricchirsi durante le fasi di purificazione e che i contaminanti dovrebbero esaurirsi6. Ad esempio, mentre i contaminanti possono accumularsi durante la centrifugazione differenziale (ad esempio, a causa di proprietà di sedimentazione simili) o durante la cattura immunitaria (ad esempio, a causa del legame anticorpale non specifico), solo le proteine mitocondriali in buona fede dovrebbero accumularsi significativamente in entrambi. È quindi possibile filtrare le proteine che sono state trovate nella frazione mitocondriale pura ma hanno mostrato modelli incoerenti di arricchimento. Nel presente esempio con le cellule RAW264.7, impostando una soglia per peptidi unici di ≥1 per i campioni mito-grezzi e mito-puri e utilizzando rigorose soglie di arricchimento, siamo stati in grado di perfezionare l'elenco dei proteomi mitocondriali recuperati da 1.127 proteine inizialmente trovate nella frazione mitocondriale grezza dopo centrifugazione differenziale, fino a 481 proteine dopo il secondo ciclo di purificazione utilizzando l'immunoselezione Tomm22. Il numero ridotto di proteine annotate MitoCarta nella frazione mito-pura riflette l'elevata rigore applicata per la selezione. È interessante notare che 70 delle proteine presenti nella frazione mito-pura non erano presenti nell'inventario MitoCarta3.0 (Figura 3A, B). Queste ultime proteine possono rappresentare potenziali nuove proteine candidate mitocondriali, che possono essere espresse solo nella linea cellulare macrofagica RAW264.7 e nelle cellule correlate, e che meritano ulteriori indagini.

Figura 1: Illustrazione del protocollo di isolamento dei mitocondri in due fasi, senza tag . (A) Una sospensione cellulare viene interrotta attraverso un ago da 25 G. (B) I nuclei e le cellule intere vengono separati mediante centrifugazione a 2.000 x g e il surnatante viene salvato. (C) I mitocondri grezzi sono isolati mediante centrifugazione differenziale del surnatante a 13.000 x g (mito-grezzo). (D) I mitocondri grezzi vengono quindi incubati con anticorpi Tomm22 (Ab) legati covalentemente a perle superparamagnetiche. (E) I complessi mitocondri-Tomm22 anticorpo-perle sono separati dai contaminanti usando colonne magnetiche ed eluiti. (F) I mitocondri puri sono raccolti e concentrati per centrifugazione (mito-pure). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2. Risultati rappresentativi dell'isolamento dei mitocondri da due fonti di macrofagi. (A) Analisi immunoblot proteica di cellule RAW264.7 (in alto) e BMDM (in basso) utilizzando anticorpi contro la citrato sintasi mitocondriale (Cs - mitocondri), gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi (Gapdh - citosol), pompa sodio-potassio (Na/K ATPasi - membrana plasmatica), Lamin B (Lamin B - nucleo), proteina di membrana lisosomiale associata 1 (Lamp1 - lisosoma) e proteina disolfuro-isomerasi (Pdi - ER). (B) Microscopia elettronica di mitocondri purificati da cellule RAW264.7. Le particelle ad alta densità che circondano i mitocondri corrispondono alle perle Tomm22 che vengono trasportate con campioni mito-puri dopo l'eluizione dalle colonne. Barre scala: 80 nm. (C) Punteggi di arricchimento tra celle totali, mito-grezzo e mito-puro da sette compartimenti cellulari in cellule RAW264.7. MitoCarta3.0 e GO sono stati utilizzati per l'annotazione delle proteine e i punteggi medi sono rappresentati. Abbreviazione: ER = reticolo endoplasmatico. (D) Valori di abbondanza proteica (riBAQ) per proteine in cellule totali e campioni mito-puri da cellule RAW264.7. Le proteine MitoCarta3.0 sono mostrate in arancione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3. Scoperta di nuove proteine mitocondriali utilizzando la proteomica sottrattiva. (A) Strategia di proteomica sottrattiva per la scoperta di nuove proteine mitocondriali. Vengono applicate soglie di selezione elevate (4x e 2x) per ridurre al minimo la selezione di falsi positivi. (B) Resa di arricchimento (fold of total cells) di nuove proteine candidate mitocondriali non precedentemente annotate nell'inventario MitoCarta3.0. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Presentiamo un protocollo in due fasi per l'isolamento dei mitocondri di alta qualità che è compatibile con la scoperta e la quantificazione delle proteine su scala proteoma. Il nostro protocollo non richiede ingegneria genetica ed è quindi adatto per studiare i mitocondri da qualsiasi cellula e tessuto primario.
Ringraziamo Manfredo Quadroni, la Protein Analysis Facility e la Electron Microscopy Facility dell'Università di Losanna per il loro aiuto. Ringraziamo anche H.G. Sprenger, K. Maundrell e i membri del laboratorio Jourdain per i consigli e il feedback sul manoscritto. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione Pierre-Mercier pour la Science e dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (sovvenzione 310030_200796).
| Siringa da 1 ml | BD Plastipal | 309628 | |
| 25 G Ago | BD Microlance | 300400 | |
| 40 µ Filtro cellulare | m Corning | 352340 | |
| Microsfere Anti-TOM22, topo | Miltenyi Biotec | 130-127-693 | |
| Raschietto cellulare | FisherScientific | 11577692 | |
| DMEM, alto glucosio, GlutaMAX | ThermoFisher | 31966 | |
| Acido etilendiamminotetraacetico | FisherScientific | BP-120-1 | |
| Siero fetale bovino | Gibco | 10270 | |
| HEPES | BioConcept | 5-31F00-H | |
| LS colonne e pistoni | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| Fattore stimolante le colonie di macrofagi | Immunotools | 12343115 | |
| Mannitolo | Sigma | M4125 | |
| Cloruro di sodio | Sigma | 71380 | |
| Saccarosio | Sigma | S1888 | |
| Penicillina/Streptomicina | BioConcept | 4-01F00-H | |
| Piastre di Petri | Corning | BH93B-102 | |
| Soluzione salina tamponata con fosfato 10X | Eurobio Scientific | CS3PBS01-01 | |
| Separatore QuadroMACS | Miltenyi Biotec | 130-090-976 | |
| Vi-CELL BLU Analizzatore di vitalità cellulare | Beckman Coulter | C19196 |