Dit protocol beschrijft een mechanisme voor het gebruik van correlatieve licht- en elektronenmicroscopie om de interactie van mitochondriën en lysosomen, gelabeld met mEosEM en APEX2 respectievelijk, te visualiseren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit protocol beschrijft een mechanisme voor het gebruik van correlatieve licht- en elektronenmicroscopie om de interactie van mitochondriën en lysosomen, gelabeld met mEosEM en APEX2 respectievelijk, te visualiseren.
Cellulaire organellen, zoals mitochondriën en lysosomen, vertonen dynamische structuren. Ondanks de hogere resolutie van transmissie-elektronenmicroscopie voor structurele analyse, is lichtmicroscopie essentieel voor de visualisatie van dynamische organellen door doelspecifiek labelen. Het volgende protocol beschrijft een methode die dubbelkleur correlatieve licht- en elektronenmicroscopie (CLEM) combineert om de interacties tussen mitochondriën en lysosomen te observeren. In deze studie werden mitochondriën gelabeld met mEosEM (Mito-mEosEM) en lysosomen met TMEM192-V5-APEX2. De resultaten verkregen uit CLEM-beelden stellen ons in staat om de veranderingen in de interacties tussen mitochondriën en lysosomen onder externe stresscondities te observeren. Behandeling met bafilomycine (BFA), dat de lysosomale functie remt, resulteerde in een toename van contact tussen mitochondriën en lysosomen, wat leidde tot de vorming van gefragmenteerde mitochondriën gevangen in lysosomen. Omgekeerd veroorzaakte behandeling met U18666A, dat cholesterolexport uit lysosomen remt, ervoor dat lysosomen werden omringd door mitochondriën, wat een duidelijke vorm van interactie aangeeft. Deze studie presenteert een effectieve methode voor het observeren van de interacties tussen mitochondriën en lysosomen in vaste cellen. Bovendien biedt CLEM-beeldvorming met dubbelkleur sondes een krachtig hulpmiddel voor toekomstige onderzoeken naar organeldynamiek en hun implicaties voor celfunctie en pathologie.
Mitochondria en lysosomen zijn de belangrijkste membraangebonden organellen die essentieel zijn voor het behoud van cellulaire homeostase. Mitochondria zijn zeer dynamische cellulaire organellen die worden gemoduleerd door splijt- en fusiegebeurtenissen1. Over het algemeen worden mitochondriën beschouwd als de krachtcentrale van de cel en staan ze bekend om hun belangrijke rol in oxidatieve fosforylering, ATP-productie en metabolietenopslag zoals calcium2. Naast hun rol in de energiemetabolisme zijn mitochondriën betrokken bij een aantal andere cellulaire signaalprocessen, waaronder apoptose3,4, calciumsignalering5,6 en lipidmetabolisme7,8. Evenzo zijn lysosomen zeer dynamische cellulaire organellen die meerdere rollen spelen als cellulaire recyclingcentra om cellulaire netheid te behouden door eiwitafbraak, autofagie, endocytose en fagocytose9. Afgezien van hun rol in degradie, spelen lysosomen ook een rol in cellulaire fysiologie zoals nutriëntdetectie, homeostase10, lipidmetabolisme11 en cellulaire dedifferentiatie12.
Ondanks het bestaan van talrijke studies over de functies van individuele cellulaire organellen, heeft ons recente onderzoek zich geconcentreerd op de minder begrepen interactie tussen mitochondriën en lysosomen, waarvan is aangetoond dat deze zowel cellulaire fysiologie als pathologie beïnvloedt. Contacten tussen mitochondriën en lysosomen zijn waargenomen in verschillende celtypen, waaronder kankercellen, neuronen en geïnduceerde pluripotente stamcel (iPSC)-afgeleide cellen13, en ze worden voornamelijk waargenomen onder cellulaire stress of bij neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Parkinson13,14 en de ziekte van Charcot-Marie-Tooth15. Het contact tussen mitochondriën en lysosomen speelt een belangrijke rol bij het behoud van metabolische homeostase door de uitwisseling van ionen (bijv. Ca2+)16, cholesterol17 en ijzer18 tussen de twee organellen. Bovendien speelt het contact tussen mitochondriën en lysosomen een cruciale rol bij de kwaliteitscontrole van cellulaire organellen. Bijvoorbeeld, beschadigde mitochondriën kunnen worden aangemerkt voor afbraak door het proces van mitofagie, waarbij ze worden ingeslikt door autofagosomen en naar lysosomen worden geleverd voor afbraak. Bijgevolg kan de verwijdering van disfunctionele mitochondriën worden vergemakkelijkt voordat ze verdere schade aan de cel of aan normale mitochondriën veroorzaken. Deze interactie tussen mitochondriën en lysosomen is cruciaal voor het handhaven van cellulaire homeostase en het voorkomen van de accumulatie van disfunctionele organellen. Daarom worden alleen beschadigde mitochondriën selectief verwijderd, waardoor gezonde mitochondriën optimaal kunnen functioneren binnen de cel.
Correlatieve licht- en elektronenmicroscopie (CLEM) is een beeldvormingstechniek die recent aandacht heeft gekregen als onderzoeksmethode door de voordelen van lichtmicroscopie (LM) en elektronenmicroscopie (EM) te combineren om gedetailleerde structurele informatie op verschillende schalen te verstrekken. In CLEM wordt een monster eerst afgebeeld met behulp van LM om specifieke gebieden van belang te identificeren, gevolgd door EM-monstervoorbereidingsstappen zoals fixatie, dehydratie en inbedding. Hetzelfde monster wordt vervolgens onder een elektronenmicroscoop waargenomen. Hoewel live-cell CLEM-methoden recent zijn gerapporteerd19,20,21,22, blijft het een uitdaging om optische beelden van zeer dynamische biologische monsters nauwkeurig te combineren met elektronenmicroscopiebeelden van gefixeerde cellen in één vlak. Voor zeer dynamische organellen zoals mitochondriën en lysosomen kan hun precieze lokalisatie veranderen terwijl ze worden waargenomen onder de lichtmicroscoop, en ze blijven bewegen, zelfs tijdens de korte vertragingstijd die nodig is voor fixatie.
Daarom werden in dit protocol twee verschillende moleculaire tags die actief blijven, zelfs binnen fixeeroplossingen, gebruikt om de interactie tussen mitochondriën en lysosomen te visualiseren, die een belangrijke rol spelen bij het handhaven van metabolische homeostase door de uitwisseling van ionen (bijv. Ca2+)16, cholesterol17 en ijzer18 tussen deze organellen. De constructies TMEM192-V5-APEX2 en Mito-mEosEM werden gebruikt om de interacties van mitochondriën en lysosomen in gekweekte cellen te observeren op zowel het EM- als het LM-niveau. Voor mitochondriën werd de mEosEM-tag geselecteerd vanwege zijn vermogen om het fluorescentie signaal te behouden tijdens EM-monstervoorbereiding in een fixeeroplossing en OsO423. Voor lysosomen werd de APEX2-tag, een eiwit van ongeveer 28 kDa, gebruikt om de lokalisatie van een specifiek eiwit op zowel EM- als LM-niveau te bestuderen24. In aanwezigheid van waterstofperoxide, het substraat van APEX2, vormt Amplex-Red een onoplosbaar polymeer dat kan worden waargenomen door confocale microscopie op de locatie van de tag. In dit protocol werd dual-color CLEM gebruikt om de structuur van de interacties tussen lysosomen en mitochondriën in gefixeerde cellen te visualiseren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De stapsgewijze workflow voor monstervoorbereiding is weergegeven in Figuur 1.
1. Celcultuur en transfectie
2. Confocale microscopische beeldvorming
3. Monstervoorbereiding voor EM-blok
4. Snijwerk en TEM-beeldvorming
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Om de interacties tussen mitochondriën en lysosomen te visualiseren met dit duaalkleur-CLEM-protocol, hebben we Mito-mEosEM en TMEM192-V5-APEX2 gebruikt. Gefixeerde cellen werden eerst gefotografeerd met een lichtmicroscoop, gevolgd door EM-bemonstering en beeldvorming. De resultaten van de gecorreleerde beelden zijn weergegeven in Figuur 3A,B en Figuur 4A. Volgens het hierboven beschreven protocol hebben we gecontroleerd of we veranderingen in ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit protocol beschrijft dubbelkleur CLEM om de interactie van mitochondriën en lysosomen in gefixeerde cellen te observeren met behulp van genetisch gecodeerde mEosEM en APEX2-tags. In de afgelopen decennia hebben vooruitgangen in microscopie de mogelijkheid om veranderingen in organellennetwerken te observeren enorm verbeterd32,33, en de studie van organelleninteracties is steeds interessanter geworden. Superresolutiemicroscopie is gebruikt om veranderingen in z...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
Dit onderzoek werd ondersteund door het KBRI basisonderzoeksprogramma via Korea Brain Research Institute gefinancierd door het Ministerie van Wetenschap en ICT (24-BR-01-03). TMEM192-V5-APEX2 plasmiden werden vriendelijk ter beschikking gesteld door Hyun-Woo Rhee (Seoul National University). TEM-gegevens werden verkregen bij Brain Research Core Facilities in KBRI.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Chemicals and reagents | |||
| 25% Glutaraldehyde | Electron Microscopy Sciences | 16200 | Aldehyd dampen zijn extreem giftig. Gebruik alleen in een afzuigkast. |
| 30% Waterstofperoxide-oplossing | Merck | 107210 | |
| 4% Paraformaldehyde-oplossing | Biosesang | PC2031-100-00 | Aldehyd dampen zijn extreem giftig. Gebruik alleen in een afzuigkast. |
| Amplex Red | ThermoFisher | A12222 | |
| Epon 812 | Electron Microscopy Sciences | 14120 | |
| Ethanol | Merck | 100983 | |
| Fugene HD | Promega | E2311 | Plasmid transfectie |
| Glycine | SIGMA | G8898 | |
| Lead Citrate 3% | Electron Microscopy Sciences | 22410 | |
| Osmium tetroxide 4 % waterige oplossing | Electron Microscopy Sciences | 16320 | Zeer giftig. Gebruik alleen in een afzuigkast. |
| Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate | SIGMA | P3289 | |
| Sodium cacodylaat trihydraat | Sigma-Aldrich | C0250-500G | |
| Uranyl acetaat | Electron Microscopy Sciences | 22400 | |
| UranyLess EM-kleuring | Electron Microscopy Sciences | 22409 | |
| Plasmidconstructie | |||
| Mito-mEosEM | addgene | 132706 | DOI: 10.1016/j.chembiol.2024.02.007 |
| TMEM192-V5-APEX2 | Sharma N. et al. | N/A | DOI: 10.1016/j.chembiol.2024.02.007 |
| Gereedschappen | |||
| 0,22 um spuitfilter | Sartorius | 16534 | |
| 35 mm Gridded dekglasschaal | Mattek | P35G-1.5-14-CGRD | |
| BEEM Inbedding Capsules | Ted Pella | 130 | |
| Formvar Ondersteunde Enkele sleuf koperen rooster | Ted Pella | 01705 | |
| Diamant mes | DiATOME | DU4530 | |
| Ultra-microtoom | Leica | ARTOS 3D | |
| Microscopen | |||
| Omgekeerde confocale microscopie | Nikon | A1 Rsi/Ti-E | |
| Transmissie-elektronenmicroscopie | FEI | Tecnai G2 | |
| Software en algoritmen | |||
| Fiji/Image J | NIH / open source | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| ImageJ BigWarp softwarepakket | NIH / open source | https://imagej.net/plugins/bigwarp | |
| Photozoom Pro 8 | BenVista | https://www.benvista.com/photozoompro Alternatieve software Image Resizer : https://imageresizer.com/ Gigapixel AI : https://www.topazlabs.com/gigapixel ON1 resize : https://www.on1.com/products/resize-ai/ |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.