당사는 살아있는 세포에서 소포체-미토콘드리아 접촉을 모니터링하기 위해 split-luciferase reassembly assay를 확립했습니다. 이 분석을 사용하여 화학적 처리 조건에서 HEK293T 세포에서 이러한 세포 간 결합의 수준을 정량적으로 측정하는 프로토콜을 설명합니다.
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당사는 살아있는 세포에서 소포체-미토콘드리아 접촉을 모니터링하기 위해 split-luciferase reassembly assay를 확립했습니다. 이 분석을 사용하여 화학적 처리 조건에서 HEK293T 세포에서 이러한 세포 간 결합의 수준을 정량적으로 측정하는 프로토콜을 설명합니다.
소포체(ER)-미토콘드리아 접촉 부위는 Ca2+ 및 지질 항상성 조절, 미토콘드리아 역학, 자가포식 및 미토파고좀 생물 발생, 세포 사멸과 같은 세포 건강 및 항상성에 중요한 역할을 합니다. 정상적인 ER-미토콘드리아 결합을 유지하지 못하는 것은 알츠하이머병, 파킨슨병, 근위축성 측삭 경화증 및 유전성 경련성 하반신 마비와 같은 많은 신경 퇴행성 질환과 관련이 있습니다. ER-미토콘드리아 접촉의 조절 장애가 어떻게 세포 사멸로 이어질 수 있는지, 그리고 이러한 접촉을 정상 수준으로 복구하면 신경 퇴행성 상태를 개선할 수 있는지 여부를 조사하는 것은 상당한 의미가 있습니다. 따라서 이러한 접촉의 수준을 측정하는 개선된 분석법은 이러한 질병의 병원성 메커니즘을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 궁극적으로 간단하고 신뢰할 수 있는 분석을 확립하면 새로운 치료 전략의 개발을 촉진할 수 있습니다. 여기에서는 살아있는 세포에서 ER-미토콘드리아 접촉 수준을 정량적으로 측정하기 위한 split-luciferase assay에 대해 설명합니다. 이 분석은 이러한 접촉의 병태생리학적 역할을 연구하고 고처리량 스크리닝에서 조절제를 식별하는 데 사용할 수 있습니다.
ER과 미토콘드리아 사이의 상호 작용은 세포 항상성과 생존에 매우 중요합니다 1,2,3,4. 이전의 증거에 의하면 ER-미토콘드리아 접촉 부위의 모든 유형의 중단 또는 조절 장애는 암뿐만 아니라 여러 신경퇴행성, 대사성 및 심혈관 질환에 기여할 수 있다 5,6,7,8,9,10. 예를 들어, 미토콘드리아로의 Ca2+ 흡수가 비정상적으로 증가하면 알츠하이머병의 일부 모델에서 흔히 볼 수 있는 미토콘드리아 투과성 전이 기공이 열려 세포 사멸을 유발할 수 있습니다 5,11. 마찬가지로, ER-미토콘드리아 접촉이 감소하면 ATP 생성이 감소하고 Ca2+ 섭취가 손상될 수 있으며, 이는 근위축성 측삭 경화증 모델에서 볼 수 있습니다 5,11,12. ER-미토콘드리아 접촉 영역에서 더 많은 연구가 수행됨에 따라 이러한 접촉에 영향을 줄 수 있는 추가적인 질병 관련 단백질 및 유전자가 발견되고 있습니다. ER-미토콘드리아 접촉 부위의 역할을 보여주는 현재의 지식과 증거에도 불구하고, 이러한 접촉이 어떻게 세포 기능의 상실과 궁극적으로 세포 사멸로 이어질 수 있는지 설명하기 위해서는 여전히 많은 연구가 필요합니다.
두 막의 근접성, 구조적 형태 및 두 세포 기관 접촉 부위 사이의 거리를 평가하기 위해 다양한 방법이 개발되었습니다 3,4,13. ER-미토콘드리아 결합을 모니터링하는 접근 방식에는 형광 마커 기반 이미징14,15, FRET 리포터 기반 이미징16 및 분할 형광 프로브 기반 이미징17,18이 포함되며 에피형광 및 컨포칼 현미경을 사용합니다. 초고해상도 및 원자 분해능 현미경 검사는 또한 세포 기관 간 접촉을 정확하게 시각화하기 위한 강력한 도구이지만, 고도로 전용 현미경과 기술 전문 지식이 필요하기 때문에 접촉 부위 분석에서의 활용은 여전히 제한적입니다19. 또한 투과 전자 현미경(TEM), 주사 전자 현미경(SEM) 및 전자 단층 촬영(ET) 및 초저온 전자 현미경과 같은 기타 EM 기술은 다른 실험적 접근 방식을 사용하여 탐색할 수 없는 접촉 부위의 고해상도 초구조 이미징을 제공하기 때문에 일반적으로 사용됩니다 20,21,22. 그러나 이러한 EM 기반 방법은 화학적 고정 절차의 영향도 받을 수 있는 매우 낮은 처리량 기술입니다. 보다 최근에는 근접 라벨링 기반 방법을 사용하여 접촉 부위를 검출하고 새로운 접촉 부위 단백질을 식별했습니다. 예를 들어, 근접 결찰 분석(PLA)은 소기관 근접성을 정량화하는 데 사용되었으며(23,24), 아스코르브산 과산화효소(APEX) 분석의 수정된 버전은 새로운 접촉 부위 단백질(25,26)을 식별하는 데 사용되었습니다. 위에서 설명한 이러한 모든 방법은 소기관 간의 접촉을 감지하는 데 강점과 본질적인 한계가 있음을 인식하는 것이 중요합니다. 따라서, 세포 기관 접촉 부위에 대한 철저한 해석을 얻기 위해 다양한 기술의 쌍이 필요합니다.
이전에는 ER-미토콘드리아 멤브레인 접촉 수준(그림 1A)을 모니터링하기 위해 split-Renilla luciferase 8 재조립 분석(split-Rluc assay)을 확립했습니다(그림 1A)24,26,27. 간단히 말해서, Renilla luciferase의 각 분할 절반은 ER 또는 미토콘드리아 표적 서열과 접합됩니다. 함께 transfection하면 효소의 각 분할 절반이 ER 또는 미토콘드리아 막에서 발현됩니다. ER과 미토콘드리아가 서로 가까이 위치하면 분할된 반쪽이 함께 모여 루시페라아제 활성으로 전체 효소를 재구성합니다. split-Rluc 구조체의 경우 초기 템플릿에 대해 pBAD/Myc-His27의 Renilla luciferase 8(Rluc8)을 사용했습니다. 분할 부위(아미노산 91 및 92 사이)는 이전 보고(27)에 기초하여 결정되었다. Rluc8의 N-말단 절반에 대해, Rluc8의 아미노산 1-91에 대한 DNA 서열을 PCR27에 의해 pcDNA3.1 TOPO 벡터에서 FLAG 태그의 3' 말단 및 마우스 AKAP1 미토콘드리아 표적 서열에 융합시켰다. ER을 대상으로 하는 C-말단 절반의 경우, 아미노산 92-311을 암호화하는 DNA 서열을 myc 태그의 5' 말단과 효모 UBC6 ER 국소화 서열에 융합했습니다. 여기에서는 Renilla luciferase의 분할된 반쪽이 동일한 promoter 하에서 단일 벡터(pCAG)로 발현된 후 Thosea asigna 바이러스의 자가 절단 펩타이드 2A 염기서열인 T2A가 두 개의 분할 반쪽 사이에 삽입됨에 따라 두 개의 단편으로 절단되도록 split-Rluc plasmid 구조를 업그레이드했습니다(그림 1B). 플라스미드 DNA 맵 및 서열은 보충 파일 1 및 보충 그림 S1에 제공된다. 이 시스템을 사용하여 ER-미토콘드리아 접촉에 대한 세 가지 화학 물질(액틴 중합에 관여하는 GTPase 억제)의 효과를 측정했습니다. 이 split-Rluc assay는 세포기관 간 접촉 조절제(inter-organelle contact modulators24)에 대한 고처리량 스크리닝을 위한 간단하지만 강력한 분석 시스템입니다.
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1. 세포 유지 관리 및 파종(1일차)
2. 폴리에틸렌이민(PEI) 매개 세포 transfection 및 transfection 후 세포 seeding(2일차)
3. 살아있는 세포의 화학적 처리 및 루시페라아제 분석(3일차)
4. 다른 방법을 사용한 split-Rluc 분석의 검증.
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우리는 위에서 설명한 프로토콜을 사용하여 특정 GTPase를 억제하는 것으로 알려진 세 가지 화합물을 추가할 때 ER-미토콘드리아 접촉 수준을 측정했습니다. CDC42, RHO 및 RAC는 활성화될 때 액틴 중합(28)을 촉진하고 각각 ZCL278, Rhosin 및 Ehop-016에 의해 억제되는 GTPase입니다(24). split-Rluc로 형질주입된 HEK293T 세포를 DMSO(대조군), ZCL278(50μM), Rhosin(50μM) 또는 Ehop-016(25μM)으로 처리하고 1시간, 2시간, 5시간 동안 배양했습니다. 플레이트 리더를 사용하여 정의된 시점에서 split-Rluc 활성을 측정했습니다(그림 2).
로신(RHO GTPase inhibitor) 처리된 세포는 처리한 1시간, 2시간, 5시간...
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우리는 ER-미토콘드리아 커플링의 수준을 정량화하기 위해 split-Renilla luciferase 8 reassembly assay(split-Rluc assay)를 사용했습니다. 이 연구에서는 루시페라아제의 각 분할 절반이 동일한 양으로 발현되도록 하기 위해 각 split-Rluc 구성 요소(MitoRlucN 및 RlucCER)와 Thosea asigna 바이러스의 자체 절단 펩타이드 2A 서열을 인코딩하는 단일 벡터 pCAG-MitoRluc N-T2A-R lucCER-IRES-mCherry를 생성하여 원래의 split-Rluc construct24를 수정했습니다. 레닐라 루시페라제(R...
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저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
저자들은 원고에 대한 비판적 검토를 해준 Dr. Jeffrey Golden (Cedars-Sinai Medical Center)에게 감사를 표했다. 이 연구는 미국 국립신경질환 및 뇌졸중 연구소(National Institute of Neurological Disease and Stroke, NINDS, R01NS113516)의 지원을 받았습니다.
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