Questo articolo descrive l'uso della microscopia confocale e di ImageJ per valutare la dinamica di fissione/fusione mitocondriale tramite la fluorescenza a fotocommutazione Dendra2.
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Articolo metodologico
Questo articolo descrive l'uso della microscopia confocale e di ImageJ per valutare la dinamica di fissione/fusione mitocondriale tramite la fluorescenza a fotocommutazione Dendra2.
I mitocondri sono meglio riconosciuti per il loro ruolo nella sintesi dell'ATP e fungono da regolatori chiave del metabolismo cellulare. La dinamica mitocondriale comprende il movimento intracellulare e intercellulare dei mitocondri, nonché i processi di fissione/fusione. Questi eventi sono fondamentali per mantenere la funzione mitocondriale mantenendo l'omeostasi cellulare, la morfologia, la bioenergetica, il controllo di qualità e le risposte allo stress. D'altra parte, la disregolazione della dinamica mitocondriale influisce sulla morfologia e sulla funzione cellulare. La misurazione precisa degli eventi di fissione/fusione dei mitocondri può essere indicativa della salute cellulare. Le attuali metodologie per misurare la dinamica dei mitocondri impiegano immagini avanzate come la microscopia a super-risoluzione, tecniche di fluorescenza (Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)) per la connettività e strumenti optogenetici per il controllo spaziotemporale. L'analisi quantitativa utilizza strumenti computazionali per misurare parametri come la lunghezza, il numero e la ramificazione, che indicano l'equilibrio fissione/fusione. Tuttavia, questi metodi richiedono competenze e strumenti sofisticati. In questo articolo, descriviamo l'uso della microscopia confocale combinata con strumenti gratuiti in ImageJ (Fiji) per studiare eventi di fissione/fusione utilizzando la proprietà di fotocommutazione della proteina dendra2, marcata al citocromo c mitocondriale.
I mitocondri sono un organello dinamico che svolge un ruolo vitale nella produzione di energia, nella morte cellulare e nella trasduzione del segnale1. La morfologia mitocondriale si riferisce alle dimensioni e alla forma dei compartimenti mitocondriali, che sono altamente reattivi alle condizioni intracellulari ed extracellulari e sono fondamentali per il mantenimento della salute cellulare2. La morfologia dei mitocondri può fornire informazioni chiave sulla loro funzione, tuttavia, le alterazioni della forma mitocondriale possono influire sul metabolismo cellulare e sulla salute generale3. Le interruzioni della morfologia mitocondriale sono associate a diverse malattie, tra cui disturbi neurodegenerativi, cancro e malattie metaboliche4. La morfologia mitocondriale è regolata dinamicamente da eventi di fusione e fissione/fusione, che sono cruciali per mantenere l'omeostasi cellulare e rispondere a varie esigenze metaboliche 5,6.
La dinamica mitocondriale aiuta l'organello a rispondere a diversi fattori di stress e requisiti metabolici7. Comporta la fissione/fusione continua e il movimento dei mitocondri all'interno delle cellule o tra le cellule. I mitocondri si adattano alle richieste di energia cellulare attraverso cambiamenti nella morfologia attraverso eventi di fissione/fusione8. Questi processi determinano la forma mitocondriale e influenzano le funzioni mitocondriali come la produzione di energia, la produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e il controllo della qualità mitocondriale 7,9,10. Inoltre, la fissione/fusione mitocondriale sono meccanismi di controbilanciamento che mantengono una rete mitocondriale funzionale11. La fusione consente lo scambio di contenuti mitocondriali, promuovendo la complementazione e il tamponamento contro il danno locale, mentre la fissione consente la segregazione e la rimozione dei mitocondri danneggiati attraverso la mitofagia 7,12. Inoltre, la fissione aiuta a segregare i componenti danneggiati dei mitocondri, che vengono poi rimossi dalla mitofagia, un processo di autofagia selettiva13. La fusione, d'altra parte, consente la complementazione del contenuto mitocondriale, diluendo eventuali componenti danneggiati14. Gli attori chiave nella fissione/fusione mitocondriale sono le mitofusine (MFN1/2), essenziali per la fusione della membrana mitocondriale esterna15,16, (OPA1): questa GTPasi simile alla dinamina è responsabile della fusione della membrana mitocondriale interna16. Le proteine di fissione coinvolgono la proteina 1 correlata alla dinamina (Drp1), la proteina pro-fissione13,17. Proteina di fissione mitocondriale 1 (Fis1), fattore di fissione mitocondriale (Mff) e regolatore di fissione mitocondriale1 simile (MTFR1L). Diverse tecniche, come l'EM a super-risoluzione, sono state utilizzate per studiare l'ultrastruttura mitocondriale18. L'ibridazione in situ a fluorescenza a singola molecola (smFISH) combinata con STED e la microscopia a super-risoluzione MINFLUX (nanoscopia) sono state utilizzate per visualizzare l'mRNA mitocondriale individuale e le proteine associate18. Le tecniche di microscopia a localizzazione di singole molecole (SMLM) tracciano i cambiamenti nella spaziatura delle membrane19. La microscopia a super-risoluzione STORM (Stocastica a Ricostruzione Ottica) consente lo studio dei complessi di membrana interna mitocondriale20. Tuttavia, l'uso di questa attrezzatura avanzata non è facilmente accessibile. La microscopia confocale è accessibile e richiede meno competenze. Inoltre, lo sviluppo di proteine fluorescenti mirate ai mitocondri ha fatto progredire significativamente lo studio delle dinamiche mitocondriali nelle cellule viventi21, poiché stiamo utilizzando la proteina fluorescente verde fotoattivabile (GFP) per visualizzare e quantificare la fusione mitocondriale22.
Per studiare la fissione e la fusione mitocondriale, le cellule sono stressate o esposte a farmaci come il cisplatino, che si lega al DNA e induce danni al DNA, culminando nell'apoptosi mediata dai mitocondri23. In questo studio, abbiamo utilizzato mitocondri Dendra2 marcati foto-commutabili da topi mitocondri foto-attivabili per studiare gli eventi di fissione e fusione nelle cellule tubulari renali trattate con cisplatino, poiché sono ricche di mitocondri e hanno un'elevata capacità di rigenerazione. Tuttavia, questo protocollo può essere utilizzato in qualsiasi tipo di cellula dotata di mitocondri Dendra2 marcati con fotocommutazione (Figura 1A-C).
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Tutto il lavoro sugli animali è stato eseguito in conformità con i protocolli approvati dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali della Temple University, Temple University (Animal Protocol-5183). Sono stati acquistati i topi Pham, che hanno mitocondri che esprimono la proteina Dendra2.
1. Preparazione del terreno di coltura cellulare
2. Induzione di stress mediante cisplatino
3. Imaging
4. Analisi delle immagini
NOTA: Poiché i mitocondri sono marcati con la proteina Dendra2, dopo essere stati sottoposti a fotosbiancamento, un cambiamento conformazionale irreversibile nella proteina dendra2 porta ad un aumento della fluorescenza rossa rilevata attraverso il laser a 561 nm. Quando i mitocondri rossi si fondono con i mitocondri verdi non sbiancati, la combinazione dà un colore giallo. Sfruttando questo fenomeno, è possibile misurare gli eventi dinamici di fissione/fusione.
5. Analizzare gli eventi di fusione
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Le cellule epiteliali tubulari primarie sono state isolate dal rene di topo mediante digestione enzimatica e coltivate in DMF-12 integrato con il 5% di FBS e l'1% di penicillina-streptomicina a 37 °C sotto il 5% di CO2. Al raggiungimento dell'80% di confluenza, le cellule sono state tripsinizzate (0,25% tripsina-EDTA) e seminate a una densità di 5 × 104 cellule per pozzetto in piastre di coltura con fondo di vetro, pre-rivestite di collagene.
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La fissione/fusione mitocondriale sono processi dinamici cruciali che mantengono l'omeostasi mitocondriale e la vitalità cellulare26. Una corretta valutazione di questi processi richiede tecniche di imaging avanzate per visualizzare e quantificare la morfologia, la dinamica e la funzione mitocondriale27,28. Varie tecniche sono state utilizzate per misurare la fissione/fusione mitocondriale. Alcuni degli st...
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Gli autori dichiarano di non avere nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato da sovvenzioni di ricerca del National Institute of Health numero di sovvenzione 5R01DK135470-03, dalla sovvenzione ISAC-NIH 5U24DK128851-03 e dalla borsa di studio post-dottorato dell'American Heart Association.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Coltura Cellulare | |||
| DMEM/F12 | Mezzo basale | (Gibco/Cat. N.11320033 ) | Coltura cellulare tubolare prossimale |
| Siero fetale bovino (FBS) e nbsp; | integrazione 5-10% | (Biowest/Cat. N. S181B) e nbsp; | Arricchimento del mezzo culturale |
| Penicillina-Streptomicina | 100X | (Gibco/Cat. N.15140122) | Protezione antibiotica & nbsp; |
| Collagene IV e nbsp; | rivestimento | ( Sigma-C5533-5M) & nbsp; | Rivestimento a piastra Ibidi |
| Tripsina-EDTA | 0,25% soluzione | (Gibco/Cat. N.25200056) | Distaccamento di cella |
| Soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) e nbsp; | (Gibco/Cat. N.10010023 ) | Lavaggio delle celle | |
| Trattamenti | |||
| Cisplatino | 2 & micro; M concentrazione lavorativa | (Selleck Chemicals/Cat. No.S1166) | Induzione dello stress |
| Dimetil Solfosido (DMSO) | controllo veicoli | (Fisher Scientific/Cat. No.D1391) | Controllo del solvente al cisplatino |
| Imaging | |||
| Medium Rosso-Senza Fenoli & nbsp; | Immagini dal vivo | (Gibco/Cat. N.21041025) | Fluorescenza di fondo ridotta |
| Biologia Molecolare & nbsp; | |||
| TRIzol® | Estrazione di RNA | (Gibco/Cat. N.15596018) & nbsp; | Isolamento totale dell'RNA |
| SYBR Green Master Mix | qPCR chimica | (Thermo Scientific/Cat. No.K0221) | Espressione genica della dinamica mitocondriale (DNM1L, FIS1, MFN1, MFN2, OPA1) e nbsp; |
| Strumenti fluorescenti | |||
| Dendra2 | Tag della matrice mitocondriale | Laboratorio Jacson (PhAMescluso) | Reporter fotocommutabile (conversione 405nm, imaging 488/561nm) & nbsp; |
| Microscopi | |||
| Microscopio Confocale | Leica DMi8 | Imaging a cellule vive e FRAP | laser 405nm/488nm/561nm |
| Immagine J | https://imagej.net/software/fiji/downloads | ||
| RGB Profiler Plugin | https://imagej.net/ij/plugins/rgb-profiler.html. | Analisi degli eventi di fusione (sovrapposizione segnale rosso/verde) |
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