Macro-autofagie is een intracellulair proces dat de katabolische afbraak van zowel beschadigde als disfunctionele cellulaire componenten omvat, zoals organellen en eiwitten met als doel recyclen of energieproductie. Om dit metabolische proces te initiëren, omhult de cel de beschadigde cellulaire componenten in een dubbelmembraanstructuur, bekend als een autofagosoom, dat fuseert met een lysosoom en het inhoud ervan wordt afgebroken en gerecycled 1,2. Er zijn twee hoofdtypen autofagie, de niet-selectieve en selectieve. Het niet-selectieve autofagieproces vindt plaats wanneer de cel onder voedingsgebreksomstandigheden verkeert en zowel essentiële voedingsstoffen als energie moet zoeken. Echter, selectieve autofagie vindt plaats om de verwijdering te bemiddelen van zowel disfunctionele/beschadigde organellen en eiwitten die anders toxisch zouden kunnen zijn. Een van de meest bestudeerde selectieve autofagieprocessen is de verwijdering van mitochondriën, bekend als mitofagie 1,3-5.
Mitochondriën zijn de centrale organellen voor celmetabolisme en de primaire bron van adenosintrofosfaat (ATP) via oxidatieve fosforylering door de elektronentransportketen, vetzuuroxidatie en tricarbonzuur (TCA) cyclus. Bovendien reguleren mitochondriën de productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS) en geven eiwitten vrij die deelnemen aan celdoodsroutes 6-8.
PTEN-geïnduceerde putatieve kinase 1 (PINK1) en Parkin RBR E3 ubiquitineligase (Parkin) zijn de belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij het mitofagieproces. Parkin kan beschermen tegen celdood door de cel gezond te houden door middel van mitochondriale kwaliteitscontrole9. Bij verlies van mitochondriale membraanpotentiaal wordt cytosolisch Parkin door PINK1 naar de mitochondriën gerekruteerd. Deze rekrutering triggert de sequentiële gebeurtenissen van mitofagie 10. Er is een breed scala aan bewijs dat mitofagie een fundamenteel mitochondriaal kwaliteitscontroleproces is en abnormaliteiten in dit proces veroorzaken ziekte 7. Bijvoorbeeld, autosomaal recessieve ziekte van Parkinson is geassocieerd met mutaties in de genen die coderen voor Parkin en PINK1 (PARK2 en PINK1, respectievelijk) 11. De kwaliteitscontrole van mitochondriale gezondheid is essentieel voor de verwijdering van mitochondriën die bijdragen aan de accumulatie van ROS12. Overmatige aanwezigheid van intracellulaire ROS kan leiden tot schade aan zowel nucleair als mitochondriaal DNA (DNA en mt DNA, respectievelijk).
Hier laten we een tijds-lapse videomicroscopie-benadering zien om de aggregatie van Parkin te volgen na de inductie van Parkin-gemedieerde mitofagie in geïmmortaliseerde muizen embryonale fibroblasten via in vitro toediening van carbonylcyanide 4-(trifluormethoxy)-fenylhydrazon (FCCP), een ontkoppelingsmiddel. FCCP verstoort ATP-synthese door protonen kortsluiten over de buitenste mitochondria-membraan en ontkoppelt daardoor oxidatieve fosforylering van de elektronentransportketen 13. Het triggeren van de depolarisatie van het mitochondriale membraan leidt tot de verstoring van mitochondriën en selectieve Parkin-afhankelijke verwijdering. Daarom kan het transfecteren van de cellen van belang met een expressievector die Parkin codeert gefuseerd met een fluorescerende marker (verbeterde gele fluorescente proteïne, EYFP) worden gebruikt als een fluorescerende tag om de rekrutering van Parkin tijdens het mitofagische proces te volgen. Om de mitochondriën te visualiseren, co-transfecteerden we pDsRed2-Mito, dat codeert voor rood fluorescerend proteïne (DsRed2) dat een mitochondriale targetingsequentie van cytochroom c oxidase subeenheid VIII (Mito) bevat. pDsRed2-Mito is ontworpen voor fluorescerende labeling van mitochondriën14. De tijd die nodig is voor Parkin-translocatie in het mitochondriale membraan kan worden gemeten en geeft een indirecte maatstaf voor cellulaire gezondheid. Bijvoorbeeld, we kunnen zeggen dat als een cellijn die knock-out is voor een bepaald gen van belang of een snellere of langzamere rekrutering van Parkin vertoont na de inductie van mitofagie door FCCP, dat genproduct een sleutelrol zou spelen om de metabolische snelheden van de cel op de fysiologische status te houden en de ontwikkeling van ziekten te voorkomen. Daarom biedt de tijds-lapse videomicroscopie een zeer krachtig hulpmiddel voor zowel fundamenteel als klinisch onderzoek in het volgen van de dynamica van gelabelde proteïnen tijdens hun moleculaire processen en het begrijpen hoe deze processen worden beïnvloed tijdens een pathologische toestand.