酵母全細胞におけるミトコンドリア呼吸は、細胞の生体エネルギー学の貴重な指標です。ここでは、さまざまな酵母種に適用できるこの表現型を定量化するためのプロトコルを紹介します。
酵母全細胞におけるミトコンドリア呼吸は、細胞の生体エネルギー学の貴重な指標です。ここでは、さまざまな酵母種に適用できるこの表現型を定量化するためのプロトコルを紹介します。
代謝は、主に細胞のエネルギー利用可能性と環境条件によって調整されます。細胞がエネルギー代謝をさまざまな栄養条件や環境条件にどのように適応させるかを知るためのアッセイは、分子メカニズムを解明するための貴重な情報を提供します。酸化的リン酸化は、ほとんどの細胞でATPの主要な供給源であり、ミトコンドリアの呼吸活性は酸化的リン酸化の重要な要素であり、ATP合成のためのミトコンドリア膜電位を維持します。ミトコンドリア呼吸は、細胞の状況が欠落している孤立したミトコンドリアで研究されることがよくあります。ここでは、酵母無傷細胞におけるミトコンドリア呼吸を定量化する方法を紹介します。この方法は、出 芽酵母 細胞に一般的に使用されてきましたが、すべての酵母種に適用されます。 まず、特定の条件下での酵母の増殖がテストされます。次に、細胞を洗浄し、脱イオン水に1:1の比率(w / v)で再懸濁します。次に、細胞を絶えず攪拌しながら酸素濃度計チャンバーに入れ、クラーク電極を使用して酸素消費量を定量化します。いくつかの分子は、チャンバ内に逐次的に配置され、電子伝達鎖またはATP合成に対するこの影響に従って選択される。ATPアーゼ阻害剤オリゴマイシンは、ATP合成と共働した呼吸を測定するために最初に添加されます。その後、アンカプラーを使用して最大呼吸容量を測定します。最後に、電子伝達鎖阻害剤の混合物を添加して、ミトコンドリア呼吸とは無関係の酸素消費を廃棄します。データは線形回帰を使用して分析され、酸素消費率を表す傾きが得られます。この方法の利点は、酵母のミトコンドリア呼吸に特異的であり、細胞の状況を維持することです。ミトコンドリア呼吸の定量化に使用される阻害剤は、酵母種によって異なる可能性があることを強調することが重要です。
ミトコンドリアは、ほとんどの細胞にとってATPの主要な供給源であり、いくつかの経路が収束してミトコンドリア経路の活性に依存するため、細胞の生体エネルギー学において基本的な役割を果たします1。電子輸送鎖を介した電子輸送を組み合わせて酸素とF1F 0-ATPase活性を還元するATP合成には酸化的リン酸化が必要であり、電子フラックス2によって生成されるミトコンドリア膜電位を使用してATPを合成します。したがって、ミトコンドリア呼吸は酸化的リン酸化の一部です3。
ミトコンドリア呼吸鎖は、4つの複合体、または場合によっては、I欠損酵母複合体(例えば、Saccharomyces cerevisiae)、3つの複合体、および3つのデヒドロゲナーゼタンパク質4を含む。呼吸器複合体はミトコンドリア内膜に局在しています。一部の酵母は、複合体I(NADHデヒドロゲナーゼ)または3つのNADHデヒドロゲナーゼ、ユビキノン(Co Q)、複合体II(コハク酸ユビキノン酸化還元酵素)、複合体III(ユビキノンシトクロム酸化還元酵素)、シトクロムc(Cyt c)、および複合体IV(シトクロムcオキシダーゼ)5,6で標準的な電子伝達鎖を示します。.錯体を通る電子輸送により、ミトコンドリアマトリックスから膜間空間へのプロトンのポンピングが可能になり、ミトコンドリア膜電位7が形成される。膜間空間に位置する陽子は、F1F 0-ATPaseによってミトコンドリアマトリックスに向かって逆方向にポンプで送られ、励起された4つの陽子ごとに1つのATP分子を合成します8。
ミトコンドリア呼吸測定は、ミトコンドリアの完全性、細胞の生体エネルギー、およびミトコンドリアの呼吸能力9に関する貴重な洞察を提供します。ミトコンドリアの呼吸機能は、さまざまな手法を使用してin vitroまたはin situで分析できます。 しかし、無傷の細胞におけるミトコンドリア呼吸分析は、全細胞を使用する際に細胞の環境との相互作用および細胞内代謝が考慮されるため、細胞全体の代謝を含むため、一連の利点を提示する可能性がある10。さらに、無傷の細胞を用いることで、種々の実験条件の評価を容易にし、単離されたミトコンドリアでは観察できなかった最小限の変化を検出することができる10,11。無傷の細胞におけるミトコンドリア呼吸の定量化のもう一つの利点は、ミトコンドリアの増殖と局在化の影響が保持されることである12。
哺乳類のミトコンドリアの無傷の細胞での呼吸は、酵母などの他の真核生物の研究を除けば、非常に詳細に説明されています12。ここでは、哺乳類のプロトコルから酵母に適応したミトコンドリア呼吸を定量化する技術を提案します。したがって、ミトコンドリア呼吸の哺乳類の定量化からの概念がこの技術で利用されています。例えば、この技術は哺乳動物のプロトコルとしてさまざまな段階に分けられます:1)基礎呼吸(基質依存性)、2)ATP結合呼吸(ATP合成酵素の阻害による)、3)最大呼吸容量(内ミトコンドリア膜を介して陽子の透過性を可能にするアンカプラーを使用)、4)ミトコンドリア呼吸阻害(呼吸鎖阻害剤の混合物を利用して、他の供給源の酸素消費を廃棄します)。ミトコンドリア呼吸)11,13.したがって、この論文は、酵母のミトコンドリア呼吸を定量化するためのプロトコルを提示することを目的としています。
1. 培地と接種物の調製
2. 生育条件と実験計画
3. 酸素消費量測定法(ポーラログ法)
4. データ処理
このミトコンドリア呼吸法は、Scheffersomyces stipitis15 や K. marxianus16 など、S. cerevisiae 以外の酵母種にも使用できます。ただし、代表的な目的で、S.cerevisiaeからの結果のみを提示します。S. cerevisiaeが低グルコース濃度(0.8 mM未満)で主要な呼吸器代謝を示すことはよく知られています17,18。したがって、S. cerevisiaeの呼吸器表現型を裏付けるために、ミトコンドリア呼吸の刺激(0.5%グルコース)と制限(5%グルコース)の2つのグルコース濃度で増殖させた18,19。予想通り、基礎呼吸(酸化性基質)、ATP結合呼吸(オリゴマイシン)、および最大呼吸能力(CCCP)で得られた結果は、S. cerevisiaeの特徴的なエネルギー代謝を実証しています(図2)。0.5%グルコースで増殖した細胞では、5%グルコースで増殖した細胞で得られた値と比較して、より高い酸素消費量(基礎呼吸、ATP関連呼吸、および最大呼吸容量)が観察されました(図2)。
さらに、アッセイでは、グルコース、グリセロール、L-乳酸の3つの基質を使用しました。多様な基質を採用する目的は、ミトコンドリア呼吸鎖のさまざまな部分を評価することです。これらの状態では、呼吸鎖を乱す治療が追加されていないため、ミトコンドリア呼吸は有意な基質依存的な変化を示さなかった(図2)。
私たちは、ミトコンドリアの呼吸に悪影響を与える化合物であるこの技術の能力を評価するために、ケルセチンを使用した20。得られたデータは、ケルセチンが0.5%グルコースを添加した培地で増殖した細胞のミトコンドリア呼吸を有意に減少させることを示しました(図3)。一方、5%グルコースを添加した培地で増殖した細胞は、ケルセチンによる有意な悪影響を示さなかった(図4)。

図1:代表的な酸素消費量曲線。 SC培地(0.5%グルコース)で増殖した S.cerevisiae 細胞で得られた酸素消費曲線。色は、基質、アンカプラー、および阻害剤の補給で得られるさまざまな傾きを表しています。緑:基質はグルコースと傾斜に対応する基礎呼吸を利用しました。青:オリゴマイシン、ATP合成酵素阻害剤、ATP関連呼吸の測定に用いられる傾き。黄色:CCCP、アンカプラー、最大呼吸数の評価に使用される傾き。灰色と赤:それぞれ阻害剤複合体IIとIII。ミトコンドリアに依存しない酸素消費量を決定するために使用される傾き。略語:CCCP = 3-クロロフェニルヒドラゾンカルボニルシアン化物;TTFA = 2-テノイルトリフルオロアセトン;AA = アンチマイシン A. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:0.5%および5%グルコースで増殖したS.cerevisiae細胞における酸素消費アッセイ。 ミトコンドリア呼吸は、0.5%および5%グルコースを添加したSCで増殖した S.cerevisiae 細胞における基礎呼吸、最大呼吸能力、およびATP関連呼吸で測定された酸素消費量を通じて評価されます。電子伝達系に対する特異的な影響を評価するために、グルコース(NADHデヒドロゲナーゼ)、グリセロール(ユビキノンプール)、およびL-乳酸(シトクロムc)の3つの基質を使用しました。(A)グルコース、グリセロール、およびL-乳酸を基質として使用した5%および0.5%グルコースでの基礎呼吸。(B)グルコース、グリセロール、およびL-乳酸を基質として使用した5%および0.5%グルコースでの最大呼吸数。(C)グルコース、グリセロール、L-乳酸を基質とする5%および0.5%グルコースでのATP関連呼吸。結果は、3つの独立した実験からの平均± S.D.として提示され、各実験には2つの技術的な繰り返しがあります。統計分析のための一元配置分散分析とそれに続くテューキー検定(p ≤ 0.05、異なる文字:有意差、同じ文字:有意差なし)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:ケルセチンは、増殖した S.cerevisiae 細胞の低グルコース濃度でミトコンドリア呼吸を制限しました。 酸素消費量の測定は、SC培地(0.5%グルコース)ケルセチン(100μM)で増殖した S.cerevisiae 細胞における基礎呼吸、最大呼吸容量、およびATP関連呼吸で行いました。エタノールを使用してケルセチン溶液を溶解しました。結果は、3つの独立した実験からの平均± S.D.として提示され、各実験には2つの技術的な繰り返しがあります。統計解析は、スチューデントのt検定ペア(*, ** p ≤ 0.05)を用いて行った。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ケルセチンは 、出芽酵母の高グルコース濃度ではミトコンドリア呼吸に影響を与えません。 酸素消費量は、SC培地(5%グルコース)ケルセチン(100μM)で増殖した S.cerevisiae 細胞における基礎呼吸、最大呼吸容量、およびATP関連呼吸で測定されました。エタノールは、ケルセチン溶液を溶解するために使用されます。結果は、3つの独立した実験からの平均± S.D.を示しており、それぞれに2回の技術的な繰り返しがあります。統計解析は、スチューデントの対応のあるt検定(p ≤ 0.05;ns:有意でない)を用いて行った。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
ミトコンドリア呼吸のリン酸化は、ミトコンドリア膜電位に依存し、酸化的リン酸化を通じてATPレベルを維持するいくつかの経路で基本的な役割を果たします。環境条件や栄養条件が酵母のミトコンドリア呼吸にどのように影響するかを理解することは、分子メカニズムを解明するためのツールとして役立ちます。
この方法から信頼性の高い結果を得るには、次の重要な手順を考慮することが不可欠です。>200rpmの攪拌は、ミトコンドリア呼吸をテストするために呼吸成長条件下で十分なバイオマスを得るために重要です。200rpm未満の攪拌条件は、成長不良とバイオマス形成を引き起こし、中丸太成長段階に到達するまでに時間がかかり、細胞は酸素化されていない環境で生存するため、酸素消費率に影響を与える可能性があります。培地中のグルコース濃度は、酵母の表現型(Crabtree陽性または陰性)に従って設定されます。これは、Crabtree陽性酵母の場合、高グルコース濃度がミトコンドリア呼吸を阻害し、データの解釈にバイアスを及ぼす可能性があるため、非常に重要です。例えば、S. cerevisiaeでは、グルコースは異化抑制を引き起こし、高グルコース濃度でのミトコンドリア呼吸を阻害します21,22。このエビデンスに基づき、高グルコース濃度で増殖した細胞(5%)の基礎呼吸、ATP関連呼吸、最大呼吸は、低グルコース濃度で増殖した酵母細胞(0.5%)と比較して低い値が得られました。呼吸鎖阻害剤は、酵母の感受性に応じて慎重に選択する必要があります。これは、ミトコンドリア呼吸以外の細胞内酸素消費源を捨てるために重要です。
基質、ミトコンドリアアンカプラー、および阻害剤は、無傷の細胞におけるミトコンドリア呼吸のさまざまなパラメーターを決定するために使用されます。それにもかかわらず、それらの使用にはいくつかの制限があります。例えば、ミトコンドリア阻害剤や無傷細胞のアンカプラーのミトコンドリア外側の非特異的な標的は、酸素消費の解釈におけるバイアスを避けるために考慮する必要があります。さらに、グリセロールまたはL-乳酸代謝の副産物が酸化されてNAD + またはFAD +を減少させる可能性があるため、呼吸鎖の作用部位をスクリーニングするための代替炭素源の使用は、より詳細にテストする必要があります。最後に、 S. cerevisiae および他の酵母は、Yor1p(酵母オリゴマイシン耐性タンパク質)などのPDRトランスポーターを保有しており、これは細胞からのオリゴマイシンの流出を示唆している23。さらに、ミトコンドリア呼吸の定量化のための 出芽酵母 におけるオリゴマイシンの使用を検証するためには、主要なPDRトランスポーターとPDR1/PDR3転写因子が欠失しているAD1-8株などのPDR欠損細胞を用いたアッセイが必要です。
ミトコンドリア呼吸の定量化に無傷の細胞を使用することで、細胞の状況が維持され、酵母の生体エネルギー学に対する栄養学的または環境的影響を知るためのより堅牢な技術が得られます。さらに、ミトコンドリア呼吸の定量化に酵母インタクト細胞を使用することは、単離されたミトコンドリアよりも経済的で、技術レベルでは容易です。さらに、単離されたミトコンドリアアッセイと同様に、多様な炭素源が一部の分子の呼吸鎖の作用部位を示しています。概念実証として、この技術は、レスベラトロールの補給がNADHデヒドロゲナーゼレベルで呼吸鎖に影響を与えることを裏付けています。なぜなら、基礎呼吸に対するレスベラトロールの阻害はグルコースでのみ観察され、グリセロールやL-乳酸では観察されないためです24。可溶化錯体を用いたin vitro試験では、レスベラトロールがNAD+と競合し、複合体I活性に影響を与えることが実証された25。これは、ここで紹介した手法を用いて、無傷の細胞で観察された表現型を裏付けるものです。さらに、この技術は、酵母ミトコンドリア呼吸に対する化学物質の悪影響を調査するためにも信頼性があります。例えば、ケルセチンはここ数十年で広く研究されているポリフェノールです。発見された主要な証拠の中で、それは無傷の細胞におけるミトコンドリア呼吸を制限することが示されており、これは複雑な呼吸連鎖活動によって検証されている26,27。重要なことに、さまざまな研究が、さまざまなモデル研究でミトコンドリア呼吸に対するケルセチン阻害効果を報告している28。
これらの微生物はヒトを含む動物病原体である可能性があり、細胞工場やバイオテクノロジーの用途にも利用されるため、生体エネルギー学を含む酵母代謝の詳細な説明を持つことが重要です。
著者は何も開示していません。
この研究は、LAMPに授与されたメキシコ国立技術(Grant 20026.24-PD)の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-テノイルトリフルオロアセトン(TTFA) | メルク | T27006 | 阻害剤複合体II |
| 3-クロロフェニルヒドラゾンカルボニルシアン化物(CCCP) | メルク | C2759 | ミトコンドリア呼吸アンカプラー |
| アブソリュートエタノール | メルク | 107017 | ケルセチン溶解用 |
| 寒天 | メルク | A1296 | YPD 寒天製剤 |
| 硫酸アンモニウム粒状 (NH4)2SO4 | J.T. Baker | 0792-05 | SC ブロス製剤 |
| アンチマイシン A (AA) | メルク | A8674 | 阻害剤複合体 |
| III aYSI5300A | ---- | ---- | モニター |
| 遠心分離機 | Hermle | Z 206 A | 細胞用遠心分離 |
| クラーク型酸素 | ---- | ---- | 電極 |
| コンピュータ | ---- | ---- | データ収集用 |
| リン酸二カリウム K2HPO4 | J.T. Baker | 3252-05 | SC ブロス製剤 |
| グルコース | メルク | G7021 | YPD ブロス製剤 |
| グリセロール | メルク | G5516 | 基質培地の補充 |
| 乳酸 | メルク | L1250 | 基質培地サプリメント |
| Streptomyces diastatochromogenes | Merck | O4876 | ミトコンドリアATP合成酵素の阻害 |
| オービタルシェイカー | サーモフィッシャー | SHKE6000 | Inoculum インキュベーションガラス管およびフラスコ |
| カゼインからのペプトン、酵素消化 | ク | 82303 | YPDブロス調製 |
| ケルセチン | メルク | 337951 | ミトコンドリア呼吸を減少させるため |
| ウラシル | メルク | U0750 | SCブロス調製 |
| 酵母エキス | メルク | Y1625 | YPDブロス調製 |
| アミノ酸および硫酸アンモニウムを含まない酵母窒素塩基 | メルク | Y1251 | SCブロス調製 |
| 酵母合成ドロップアウト培地サプリメント ウラシルなし | メルク | Y1501 | SCブロス調製 |
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