Dit artikel beschrijft het gebruik van confocale microscopie en ImageJ om de dynamiek van mitochondriale splijting/fusie te beoordelen via Dendra2 fotoschakelende fluorescentie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit artikel beschrijft het gebruik van confocale microscopie en ImageJ om de dynamiek van mitochondriale splijting/fusie te beoordelen via Dendra2 fotoschakelende fluorescentie.
Mitochondriën worden het best erkend voor hun rol in ATP-synthese en dienen als belangrijke regulatoren van het cellulaire metabolisme. Mitochondriale dynamiek omvat de intracellulaire en intercellulaire beweging van mitochondriën, evenals de processen van splijting/fusie. Deze gebeurtenissen zijn van fundamenteel belang voor het behoud van de mitochondriale functie door het handhaven van cellulaire homeostase, morfologie, bio-energetica, kwaliteitscontrole en stressreacties. Aan de andere kant beïnvloedt ontregeling van de mitochondriale dynamiek de cellulaire morfologie en functie. Nauwkeurige meting van mitochondriën splijting/fusie kan een indicatie zijn van cellulaire gezondheid. De huidige methodologieën om de dynamiek van mitochondriën te meten, maken gebruik van geavanceerde beeldvorming zoals superresolutiemicroscopie, fluorescentietechnieken (Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)) voor connectiviteit en optogenetische hulpmiddelen voor spatiotemporele controle. Kwantitatieve analyse maakt gebruik van computationele hulpmiddelen om parameters zoals lengte, aantal en vertakking te meten, die de balans tussen splijting/fusie aangeven. Deze methoden vereisen echter vaardigheden en geavanceerde instrumenten. In dit artikel beschrijven we het gebruik van confocale microscopie in combinatie met gratis te gebruiken tools in ImageJ (Fiji) om splijtings-/fusiegebeurtenissen te bestuderen met behulp van de foto-schakelende eigenschap van het dendra2-eiwit, gelabeld met mitochondriaal cytochroom c.
Mitochondriën zijn een dynamisch organel dat een cruciale rol speelt bij de productie van energie, celdood en signaaltransductie1. Mitochondriale morfologie verwijst naar de grootte en vorm van mitochondriale compartimenten, die zeer goed reageren op intracellulaire en extracellulaire aandoeningen en cruciaal zijn voor het behoud van de cellulaire gezondheid2. De morfologie van mitochondriën kan belangrijke inzichten verschaffen in hun functie, maar veranderingen in de mitochondriale vorm kunnen het cellulaire metabolisme en de algehele gezondheid beïnvloeden3. Verstoringen van de mitochondriale morfologie worden in verband gebracht met verschillende ziekten, waaronder neurodegeneratieve aandoeningen, kanker en stofwisselingsziekten4. Mitochondriale morfologie wordt dynamisch gereguleerd door fusie en splijting/fusie, die cruciaal zijn voor het behoud van cellulaire homeostase en het reageren op verschillende metabolische behoeften 5,6.
Mitochondriale dynamiek helpt het organel te reageren op verschillende stressoren en metabolische behoeften7. Het gaat om continue splijting/fusie en beweging van mitochondriën binnen cellen of tussen cellen. Mitochondriën passen zich aan de cellulaire energiebehoefte aan door veranderingen in de morfologie via splijtings-/fusiegebeurtenissen8. Deze processen bepalen de mitochondriale vorm en beïnvloeden mitochondriale functies zoals energie-output, productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS) en mitochondriale kwaliteitscontrole 7,9,10. Verder zijn mitochondriale splijting/fusie tegenwichtmechanismen die een functioneel mitochondriaal netwerk in stand houden11. Fusie maakt de uitwisseling van mitochondriale inhoud mogelijk, waardoor complementatie en buffering tegen lokale schade worden bevorderd, terwijl splijting de segregatie en verwijdering van beschadigde mitochondriën mogelijk maakt via mitofagie 7,12. Verder helpt splijting om beschadigde componenten van mitochondriën te scheiden, die vervolgens worden verwijderd door mitofagie, een selectief autofagieproces13. Fusie daarentegen maakt de aanvulling van de mitochondriale inhoud mogelijk, waardoor beschadigde componenten worden verdund14. De belangrijkste spelers in mitochondriale splijting/fusie zijn mitofusines (MFN1/2), essentieel voor fusie van het buitenste mitochondriale membraan15,16, (OPA1): dit dynamine-achtige GTPase is verantwoordelijk voor fusie van het binnenste mitochondriale membraan16. Bij splijtingseiwitten is dynamin-gerelateerd eiwit 1 (Drp1), pro-splijtingseiwit13,17 betrokken. Mitochondriale splijting 1-eiwit (Fis1), mitochondriale splijtingsfactor (Mff) en mitochondriale splijtingsregulator1 zoals (MTFR1L). Verschillende technieken, zoals superresolutie EM, zijn gebruikt om de mitochondriale ultrastructuur te bestuderen18. Single-molecule fluorescentie in situ hybridisatie (smFISH) gecombineerd met STED- en MINFLUX-superresolutiemicroscopie (nanoscopie) zijn gebruikt om individueel mitochondriaal mRNA en geassocieerde eiwitten te visualiseren18. Technieken voor lokalisatiemicroscopie met één molecuul (SMLM) volgen veranderingen in membraanafstand19. Stochastische optische reconstructiemicroscopie (STORM) superresolutiemicroscopie maakt de studie van mitochondriale binnenmembraancomplexen mogelijk20. Het gebruik van deze geavanceerde apparatuur is echter niet gemakkelijk toegankelijk. Confocale microscopie is toegankelijk en vereist minder expertise. Verder heeft de ontwikkeling van mitochondriale fluorescerende eiwitten de studie van mitochondriale dynamiek in levende cellen aanzienlijk bevorderd21, aangezien we fotoactiveerbaar groen fluorescerend eiwit (GFP) gebruiken om de mitochondriale fusie te visualiseren en te kwantificeren22.
Om mitochondriale splijting en fusie te bestuderen, worden de cellen gestrest of blootgesteld aan geneesmiddelen zoals cisplatine, dat zich bindt aan DNA en DNA-schade veroorzaakt, culminerend in mitochondriën-gemedieerde apoptose23. In deze studie hebben we foto-schakelbare gelabelde Dendra2-mitochondriën van foto-activeerbare mitochondriënmuizen gebruikt om de splijtings- en fusiegebeurtenissen in met cisplatine behandelde niertubulaire cellen te bestuderen, omdat ze rijk zijn aan mitochondriën en een hoog regeneratievermogen hebben. Dit protocol kan echter worden gebruikt in elk celtype met fotoschakelbare getagde Dendra2-mitochondriën (Figuur 1A-C).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Al het dierenwerk werd uitgevoerd in overeenstemming met de protocollen die zijn goedgekeurd door de Temple University Institutional Animal Care and Use Committee, Temple University (Animal Protocol-5183). De Pham-muizen, die mitochondriën hebben die Dendra2-eiwit tot expressie brengen, werden gekocht.
1. Bereiding van celkweekmedium
2. Inductie van stress met behulp van cisplatine
3. Beeldvorming
4. Analyse van het beeld
OPMERKING: Aangezien mitochondriën zijn gelabeld met het Dendra2-eiwit, leidt een onomkeerbare conformatieverandering in het dendra2-eiwit na het ondergaan van fotobleken tot een toename van de rode fluorescentie die wordt gedetecteerd door de 561 nm-laser. Wanneer de rode mitochondriën versmelten met de ongebleekte groene mitochondriën, geeft de combinatie een gele kleur. Door gebruik te maken van dit fenomeen kunnen de dynamische splijtings-/fusiegebeurtenissen worden gemeten.
5. Analyseer fusiegebeurtenissen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Primaire buisvormige epitheelcellen werden geïsoleerd uit de nier van de muis door enzymatische vertering en gekweekt in DMF-12 aangevuld met 5% FBS, 1% penicilline-streptomycine bij 37 °C onder 5% CO2. Bij het bereiken van 80% confluentie werden cellen getrypsiniseerd (0,25% trypsine-EDTA) en met een dichtheid van 5 × 104 cellen per putje gezaaid in kweekplaten met glazen bodem, voorgecoat met collageen.
Het kweekmedium bevatte cisplatin...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Mitochondriale splijting/fusie zijn cruciale dynamische processen die de mitochondriale homeostase en cellulaire levensvatbaarheid in stand houden26. Een goede beoordeling van deze processen vereist geavanceerde beeldvormingstechnieken om de mitochondriale morfologie, dynamiek en functie te visualiseren en te kwantificeren27,28. Er zijn verschillende technieken gebruikt voor het meten van mitochondriale sp...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat ze niets te onthullen hebben.
Dit werk werd ondersteund door onderzoeksbeurzen van het National Institute of Health subsidienummer 5R01DK135470-03, ISAC-NIH-subsidie 5U24DK128851-03 en een postdoctorale beurs van de American Heart Association.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Celcultuur | |||
| DMEM/F12 | Basismedium | (Gibco/Cat. Nr.11320033 ) | Proximale tubulaire celcultuur |
| Foetaal Runderserum (FBS) | 5-10% suppletie | (Biowest/Cat. Nr.S181B) | Verrijking van cultuurmedium |
| Penicilline-Streptomycine | 100X | (Gibco/Cat. Nr.15140122) | Antibioticabescherming |
| Collagene IV | coating | ( Sigma-C5533-5M) | Ibidi plaatcoating |
| Trypsine-EDTA | 0,25% oplossing | (Gibco/Cat. Nr.25200056) | Celdetachering |
| Fosfaat-Gebufferd Saline (PBS) | (Gibco/Cat. Nr.10010023 ) | Celwassing | |
| Behandelingen | |||
| Cisplatin | 2 µM werkconcentratie | (Selleck Chemicals/Cat. Nr.S1166) | Stressinductie |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | voertuigcontrole | (Fisher Scientific/Cat. Nr.D1391) | Cisplatin solvent controle |
| Beeldvorming | |||
| Fenol Rood-Vrij Medium | Live beeldvorming | (Gibco/Cat. Nr.21041025) | Verminderde achtergrondfluorescentie |
| Moleculair Biologie | |||
| TRIzol® | RNA extractie | (Gibco/Cat. Nr.15596018) | Totale RNA isolatie |
| SYBR Green Master Mix | qPCR chemie | (Thermo Scientific/Cat. Nr.K0221) | Mitochondriale dynamic genexpressie (DNM1L, FIS1, MFN1, MFN2, OPA1) |
| Fluorescente Hulpmiddelen | |||
| Dendra2 | Mitochondriale matrix tag | Jacson Laboratory(PhAMverwijderd) | Foto-wisselaar reporter (405nm omzetting, 488/561nm beeldvorming) |
| Microscopen | |||
| Confocale Microscoop | Leica DMi8 | Live-cel beeldvorming en FRAP | 405nm/488nm/561nm lasers |
| Image J | https://imagej.net/software/fiji/downloads | ||
| RGB Profiler Plugin | https://imagej.net/ij/plugins/rgb-profiler.html. | Fusiegebeurtenis analyse (rood/groen signaaloverlappend) |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.