이 연구는 미토콘드리아 부피, 미토콘드리아 막 전위, 활성 산소 종 수준, 미토콘드리아 호흡 사슬 조성 및 미토콘드리아 DNA의 변화를 감지하기 위해 두 개의 형광 리포터 또는 항체를 사용한 유세포 분석 및 이중 염색을 기반으로 여러 미토콘드리아 기능 매개 변수를 측정하는 새로운 접근 방식을보고합니다.
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방법 논문
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이 연구는 미토콘드리아 부피, 미토콘드리아 막 전위, 활성 산소 종 수준, 미토콘드리아 호흡 사슬 조성 및 미토콘드리아 DNA의 변화를 감지하기 위해 두 개의 형광 리포터 또는 항체를 사용한 유세포 분석 및 이중 염색을 기반으로 여러 미토콘드리아 기능 매개 변수를 측정하는 새로운 접근 방식을보고합니다.
미토콘드리아는 많은 신경 퇴행성 질환의 병태생리학에서 중요하다. 미토콘드리아 부피, 미토콘드리아 막 전위 (MMP), 활성 산소 종 (ROS)의 미토콘드리아 생산 및 미토콘드리아 DNA (mtDNA) 복제 수의 변화는 종종 이러한 과정의 특징입니다. 이 보고서는 인간 유도 만능 줄기 세포(iPSC) 및 iPSC 유래 신경 및 신경교 세포를 포함한 다양한 세포 유형에서 여러 미토콘드리아 매개변수를 측정하기 위한 새로운 유세포 분석 기반 접근 방식을 자세히 설명합니다. 이 흐름 기반 전략은 살아있는 세포를 사용하여 미토콘드리아 부피, MMP 및 ROS 수준을 측정하고 고정 세포를 사용하여 미토콘드리아 호흡 사슬(MRC) 및 미토콘드리아 전사 인자 A(TFAM)와 같은 mtDNA 관련 단백질의 구성 요소를 추정합니다.
MitoTracker Green(MTG), 테트라메틸로다민 에틸 에스테르(TMRE) 및 MitoSox Red를 포함한 형광 리포터와의 공동 염색을 통해 미토콘드리아 부피, MMP 및 미토콘드리아 ROS의 변화를 정량화하고 미토콘드리아 함량과 관련시킬 수 있습니다. MRC 복합체 서브유닛 및 외부 미토콘드리아 막 20(TOMM20)의 트랜스로카제에 대한 항체를 이용한 이중 염색은 MRC 서브유닛 발현의 평가를 허용한다. TFAM의 양은 mtDNA 복제 수에 비례하므로 TOMM20 당 TFAM의 측정은 미토콘드리아 부피 당 mtDNA의 간접적 인 측정을 제공합니다. 전체 프로토콜은 2-3 시간 내에 수행 할 수 있습니다. 중요하게도, 이러한 프로토콜은 유세포 분석을 사용하여 미토콘드리아 부피 당 전체 수준과 특정 수준 모두에서 미토콘드리아 매개 변수를 측정 할 수 있습니다.
미토콘드리아는 거의 모든 진핵 세포에 존재하는 필수 세포 기관입니다. 미토콘드리아는 산화적 인산화를 통해 아데노신 삼인산(ATP)을 생성하여 에너지 공급을 담당하고 생합성 및 대사를 위한 대사 매개체 역할을 합니다. 미토콘드리아는 ROS 생성, 세포 사멸 및 세포 내Ca2+ 조절과 같은 다른 많은 중요한 세포 과정에 깊이 관여합니다. 미토콘드리아 기능 장애는 파킨슨병(PD), 알츠하이머병(AD), 헌팅턴병(HD), 프리드라이히 운동실조증(FRDA) 및 근위축성 측삭 경화증(ALS)1을 비롯한 다양한 신경퇴행성 질환과 관련이 있습니다. 증가된 미토콘드리아 기능 장애 및 mtDNA 이상도 인간의 노화에 기여하는 것으로 생각됩니다 2,3.
다양한 유형의 미토콘드리아 기능 장애가 신경 퇴행성 질환에서 발생하며 미토콘드리아 부피의 변화, MMP 탈분극, ROS 생성 및 mtDNA 복제 수의 변화가 일반적입니다 4,5,6,7. 따라서 이러한 기능 및 기타 미토콘드리아 기능을 측정하는 능력은 질병 메커니즘을 연구하고 잠재적 인 치료제를 테스트 할 때 매우 중요합니다. 더욱이, 인간 신경퇴행성 질환을 충실하게 복제하는 동물 모델의 부족을 고려할 때, 뇌 세포에서 인간 질병을 요약하는 적절한 시험관내 모델 시스템을 확립하는 것은 이러한 질병에 대한 더 큰 이해와 새로운 치료법의 개발을 향한 중요한 단계입니다 2,3,8,9.
인간 iPSC는 뉴런 및 비뉴런 세포(즉, 신경교 세포)를 비롯한 다양한 뇌 세포를 생성하는데 사용될 수 있으며, 신경퇴행성 질환과 관련된 미토콘드리아 손상은 두 세포 유형 3,10,11,12,13 모두에서 발견되었다. 신경 및 신경교 계통으로의 iPSC 분화를 위한 적절한 방법이 이용가능하다14,15,16. 이 세포는 시험관 내 질병 모델링 및 약물 스크리닝을 위한 고유한 인간/환자 플랫폼을 제공합니다. 또한 환자에서 파생되기 때문에 iPSC 유래 뉴런과 신경교 세포는 인간에서 일어나는 일을보다 정확하게 반영하는 질병 모델을 제공합니다.
현재까지 iPSC, 특히 살아있는 뉴런과 신경교 세포에서 여러 미토콘드리아 기능 파라미터를 측정하는 편리하고 신뢰할 수 있는 방법은 거의 없습니다. 유세포 분석의 사용은 과학자에게 단일 세포에서 미토콘드리아 기능을 포함한 생물학적 매개 변수를 측정하기위한 강력한 도구를 제공합니다. 이 프로토콜은 iPSC의 신경 줄기 세포(NSC), 뉴런 및 신경교 성상세포를 포함한 다양한 유형의 뇌 세포 생성에 대한 세부 정보와 iPSC 및 iPSC 유래 신경 및 신경교 세포를 포함한 다양한 세포 유형에서 여러 미토콘드리아 매개변수를 측정하는 새로운 유세포 분석 기반 접근 방식을 제공합니다. 이 프로토콜은 또한 유세포분석을 사용하여 미토콘드리아 부피, MMP, 미토콘드리아 ROS 수준, MRC 복합체 및 TFAM을 측정하기 위한 공동염색 전략을 제공합니다. 미토콘드리아 부피 또는 질량의 측정을 통합함으로써, 이러한 프로토콜은 또한 미토콘드리아 단위 당 총 수준과 특정 수준의 측정을 허용합니다.
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참고: 이 프로토콜에 사용된 모든 매체 및 솔루션의 레시피에 대해서는 재료 표 및 보충 표 S1 을 참조하십시오.
1. 인간 iPSC를 NCS, 도파민성(DA) 뉴런 및 성상세포로 분화
2. 면역세포화학 및 면역형광염색에 의한 세포 특성 분석
3. 살아있는 세포에서 미토콘드리아 부피, MMP 및 미토콘드리아 ROS의 유세포 분석 측정
4. 고정 세포에서 MRC 복합체 서브유닛 및 TFAM의 유세포분석 측정
5. 유세포 분석 획득 및 분석
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분화 방법 및 유세포 분석 전략에 대한 개략적인 설명이 그림 3에 나와 있습니다. 인간 iPSC는 신경 로제트로 분화된 다음 신경 영역으로 분화하기 위해 서스펜션 배양으로 들어 올려집니다. 신경 영역은 DA 뉴런으로 더욱 분화되고 성숙됩니다. 신경 구체는 단일 세포로 해리되어 신경교 성상 세포를 생성하고 NSC로 단층으로 재 도금 된 다음 성상 세포로 분화됩니다. 이 프로토콜은 MMP, 미토콘드리아 부피, 미토콘드리아 ROS 수준, MRC 복합체 서브유닛의 발현 수준 및 TFAM(상대적 mtDNA 복제 수의 간접 측정)을 측정하기 위해 유세포분석으로 샘플을 획득하고 분석하는 데 필요한 전략을 제공합니다. 구체적으로, 형광 리포터, TMRE 및 MTG와의 동시 염색을 사용하여 MMP 및 미토콘드리아 부피의 변화를 검출하고 정량화했습니다. MitoSox Red 및 MTG와의 동시 염색을 통해 살아있는 세포에서 미토콘드리아 ROS 생성을 측정할 수 있습니다. TOMM20과 함께 M...
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본원에는 iPSC 유래 뉴런 및 성상세포를 생성하고 유세포분석을 사용하여 미토콘드리아 기능의 여러 측면을 평가하기 위한 프로토콜이 있습니다. 이러한 프로토콜을 통해 인간 iPSC를 뉴런과 신경교 성상 세포로 효율적으로 변환하고 대부분 살아있는 세포에서 미토콘드리아 기능을 자세히 특성화할 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 살아있는 세포의 부피, MMP 및 미토콘드리아 ROS 수준과 고정 세포의 MRC 복합체 및 TFAM을 포함한 여러 미토콘드리아 기능을 획득하고 분석하기 위한 공동 염색 유세포분석 기반 전략을 제공합니다. 특히, 이러한 프로토콜은 미토콘드리아 부피 당 전체 및 특정 수준의 추정을 허용합니다. 이 전략은 DA 뉴런 및 성상 세포에서 알려진 미토콘드리아 질환 (POLG)에서 미토콘드리아 기능 장애를 감지하지만 이러한 기술은 모든 유형의 세포 및 질병에 적용 할 수 있습니다. 또한 프로토콜은 강력하고 재현 가능합니다. 이전의 여러 연구에서는 섬유 아세포, iPSC, NSC, DA 뉴런 및 성상 세포
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저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
노르웨이 베르겐 대학교의 분자 이미징 센터와 유세포 분석 핵심 시설에 감사드립니다. 이 연구는 노르웨이 연구위원회 (보조금 번호 : 229652), Rakel og Otto Kr.Bruuns legat 및 중국 장학위원회 (프로젝트 번호 : 201906220275)의 자금으로 지원되었습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| anti-Oct4 | Abcam | ab19857, RRID:AB_445175 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로 사용합니다. |
| anti-SSEA4 | Abcam | ab16287, RRID:AB_778073 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 2차 항체로 594 염소 항-마우스 IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11005). |
| anti-Sox2 | Abcam | ab97959, RRID:AB_2341193 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로 사용합니다. |
| anti-Pax6 | Abcam | ab5790, RRID:AB_305110 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로 사용합니다. |
| anti-Nestin | Santa Cruz Biotechnology | sc-23927, RRID:AB_627994 | 일차 항체; 1:50, 20 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 2차 항체로 594 염소 항-마우스 IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11005). |
| anti-GFAP | Abcam | ab4674, RRID:AB_304558 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 594 염소 항닭 IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11042)를 2차 항체로 사용합니다. |
| 안티 S100&베타; Alexa Fluor 488 | Abcam | ab196442, RRID:AB_2722596 | ; 1:400, 2.5 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; |
| anti-TH | Abcam | ab75875, RRID:AB_1310786 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로 사용합니다. |
| anti-Tuj 1 | Abcam | ab78078, RRID:AB_2256751 | 일차 항체; 1:1000, 1 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 2차 항체로 594 염소 항-마우스 IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11005). |
| anti-Synaptophysin | Abcam | ab32127, RRID:AB_2286949 | 1차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로 사용합니다. |
| anti-PSD-95 | Abcam | ab2723, RRID:AB_303248 | 일차 항체; 1:100, 10 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 594 염소 항닭 IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11042)를 2차 항체로 사용합니다. |
| Abcam | ab198308 | 와 접합된 anti-TFAM | ; 1:400, 2.5 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; 마우스 단클론 IgG2b 를 사용하십시오. 알렉사 플루오® 488을 isotype control로 사용합니다. |
| anti-TOMM20 conjugated with Alexa Fluor 488 | Santa Cruz Biotechnology | Cat# sc-17764 RRID:AB_628381 | Primary 항체; 1:400, 2.5 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; 마우스 단클론 IgG2a 사용 알렉사 플루오® 488을 isotype control로 사용합니다. |
| anti-NDUFB10 | Abcam | ab196019 | 일차 항체; 1:1000, 1 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로; 토끼 단클론 IgG를 동형 대조군으로 사용합니다. |
| anti-SDHA | Abcam | ab137040 | 일차 항체; 1:1000, 1 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; Alexa Fluor ®를 사용하십시오. 488 염소 안티 토끼 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11008)를 2차 항체로; 토끼 단클론 IgG를 동형 대조군으로 사용합니다. |
| anti-COX IV | Abcam | ab14744, RRID:AB_301443 | 일차 항체; 1:1000, 1 &mu로 사용; L in 1000 μ L 염색 용액; 사용 알렉사 플루어 ® 488 염소 안티 마우스 IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, 카탈로그 # A-11001)를 2차 항체로; 마우스 단클론 IgG를 동형 대조군으로 사용합니다. |
| Activin A | PeproTech | 120-14E | 성상세포 분화 배지 성분 |
| ABM 기초 배지 | Lonza | CC-3187 | 성상세포 배양을 위한 기초 배지 |
| AGM SingleQuots Supplement Pack | Lonza | CC-4123 | 성상세포 배양을 위한 보충제 |
| 항생제-항진균제 | Thermo Fisher Scientific | 15240062 | CDM 성분 |
| Advanced DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12634010 | 묽은 Geltrex |
| 소 혈청 알부민 | Europa Bioproducts | EQBAH62-1000 | 면역염색 분석에서 항체의 비특이적 결합을 방지하기 위한 차단제 및 CDM 성분 |
| BDNF | PeproTech | 450-02 | DA 뉴런 배지 성분 |
| B-27 보충제 | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | 성상세포 분화 배지 성분 |
| BD Accuri C6 Plus 유세포 분석기 | BD Biosciences, USA | ||
| 화학적으로 정의된 지질 농축액 | Thermo Fisher Scientific | 11905031 | CDM 성분 |
| 콜라겐분해효소 IV | Thermo Fisher Scientific | 17104019 | 인간 iPSC의 부드러운 해리를 위한 시약 |
| CCD 현미경 카메라 Leica DFC3000 G | Leica Microsystems, 독일 | ||
| Corning 비처리 배양 접시 | Sigma-Aldrich | CLS430589 | 현탁 배양 |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190250 | 다양한 세포 배양에 사용 |
| 세척 DMEM/F-12, GlutaMAX 보충제 | Thermo Fisher Scientific | 10565018 | 성상세포 분화 기저 매체 |
| EDTA | Thermo Fisher | 인간 iPSC의 부드러운 해리를 위한 과학 15575020 시약 | |
| 필수 8 기초 배지 | Thermo Fisher Scientific | A1516901 iPSC 배양을 위한 기초 배지 | |
| 필수 8 보충제 (50X) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | iPSC 배양을 위한 |
| 보충제 EGF 재조합 인간 단백질 | Thermo Fisher Scientific | PHG0314 | NSC 배양을 위한 보충제 |
| FGF-베이직 (AA 10– 155) NSC 배양을 위한 재조합 인간 단백질 | Thermo Fisher Scientific | PHG0024 | 보충제 |
| Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | 12103C | Medium ingredient |
| FGF-basic | PeproTech | 100-18B | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| FCCP | Abcam | ab120081 | Eliminate mitochondrial membrane potential and TMRE staining |
| 유체 흡인 시스템 BVC 제어 | Vacuubrand, 독일 | ||
| 포름알데히드(PFA) 16% | Thermo Fisher Scientific | 28908 | 세포 고정 |
| Geltrex | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | 인간 iPSC의 부착 및 유지 관리에 사용 |
| GlutaMAX 보충제 | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | NSC 배양 |
| GDNF | Peprotech | 450-10 | DA 뉴런 매체 성분 |
| Glycine | Sigma-Aldrich | G8898 | 완충액 차단에 사용 |
| Ham's F-12 영양 혼합물 | Thermo Fisher Scientific | 31765027 | CDM용 기초 배지 |
| Heregulin beta-1 human | Sigma-Aldrich | SRP3055 | Astrocyte 분화 매체 |
| 성분 Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | H1399 | 컨포칼 이미지용 핵 염색 |
| Heracell 150i CO2 인큐베이터 | Fisher Scientific, 미국 | ||
| IMDM | Thermo Fisher Scientific | 21980032 | CDM용 기저 배지 |
| 슐린 | Roche | 1376497 | CDM 성분 |
| InSolution AMPK 억제제 | Sigma-Aldrich | 171261 | 신경 유도 배지 성분 |
| 인슐린 유사 성장 인자-I 인간 | Sigma-Aldrich | I3769 | 성상세포 분화 배지 성분 |
| KnockOut DMEM/F-12 배지 | Thermo Fisher Scientific | 12660012 | NSC 배양을 위한 기초 배지 |
| 라미닌 | Sigma-Aldrich | L2020 | 신경 세포의 부착 및 성장 촉진 in vitro |
| Leica TCS SP8 STED 컨포칼 현미경 | Leica Microsystems, 독일 | ||
| 모노티오글리세롤 | Sigma-Aldrich | M6145 | CDM 성분 |
| MitoTracker Green FM | Thermo Fisher Scientific | M7514 | 미토콘드리아 부피 표시기에 사용 |
| MitoSox Red | Thermo Fisher Scientific | M36008 | 미토콘드리아 ROS 표시기에 사용 |
| N-아세틸-L-시스테인 | Sigma-Aldrich | A7250 | 신경 유도 배지 성분 |
| N-2 보충제 | Thermo Fisher Scientific | 17502048 | Astrocyte 분화 매체 성분 |
| 일반 염소 혈청 | Thermo Fisher Scientific | PCN5000 | 완충액 |
| 오비탈 셰이커 차단에 사용 - SSM1 | Stuart Equipment, UK | ||
| Poly-L-Ornithine 솔루션 | Sigma-Aldrich | P4957 | 체외 신경 세포의 부착 및 성장 촉진 |
| Poly-D-lysine 하이드로브로마이드 | Sigma-Aldrich | P7405 | 체외 신경 세포의 부착 및 성장 촉진 |
| Purmorphamine | STEMCELL Technologies | 72204 | DA 뉴런 분화 촉진 |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36930 | 컨포칼 이미지 |
| 용 커버슬립 장착PBS 1x | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | 다양한 세척 |
| 재조합 인간/마우스 FGF-8b 단백질 | R&에 사용됩니다. D Systems | 423-F8-025/CF | DA 뉴런 분화 촉진 |
| SB 431542 | Tocris Bioscience | TB1614-GMP | 신경 유도 배지 성분 |
| StemPro 신경 보충제 | Thermo Fisher Scientific | A10508-01 | NSC 배양을 위한 보충제 |
| TrypLE Express Enzyme | Thermo Fisher Scientific | 12604013 | 해리 시약 |
| 트랜스페린 | Roche | 652202 | CDM 성분 |
| TRITON X-100 | VWR International | 9002-93-1 | 면역 염색 분석에서 세포 투과화에 사용 |
| TMRE | Abcam | ab113852 | 미토콘드리아 막 전위 염색에 사용 |
| 수조 Jb Academy Basic Jba5 JBA5 그랜트 기기 | 그랜트 기기, 미국 |
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