Mitochondriale ATP-afhankelijke proteasen zijn centraal voor eiwithomeostase en degraderen verkeerd gevouwen of beschadigde eiwitten 1,2,3,4,5,6. Hiervan is ClpXP een hetero-oligomeer AAA+ proteasecomplex dat zich bevindt in de mitochondriale matrix. De ClpX ATPase herkent en ontvouwt eiwitten, waarna ze transloceert naar de ClpP-proteolytische kamer 7,8,9. Samen met andere mitochondriale proteasen handhaaft ClpXP de kwaliteitscontrole van eiwitten onder zowel normale als stressomstandigheden, waaronder oxidatieve stress en metabole verstoringen 1,2,4. Verstoring van de homeostase van mitochondriale eiwitten is in verband gebracht met ziekten zoals neurodegeneratie en kanker, wat het belang onderstreept van het begrijpen van deze protease-activiteiten in intacte cellulaire systemen 3,6,10.
Een grote uitdaging in het veld is het gebrek aan methoden om mitochondriale proteaseactiviteit direct met ruimtelijke resolutie in intacte cellen te monitoren. Bestaande benaderingen zijn voornamelijk gebaseerd op biochemische assays met gezuiverde eiwitten of cellysaten, die gedetailleerde kinetische informatie leveren maar de subcellulaire context niet behouden 11,12,13,14. Chemische biologische strategieën hebben deze beperking deels aangepakt door fluorogene peptidesubstraten en actief-plaatsgerichte remmers te ontwikkelen. Fluorescerende peptidylsubstraten maken kwantitatieve meting van ATP-afhankelijke peptidaseactiviteit mogelijk, terwijl peptidylremmers reversibele covalente interacties vormen met de proteolytische site om selectieve inhibitie te bereiken 13,15,16,17,18,19. Eerder is aangetoond dat de in het laboratorium gesynthetiseerde ClpXP-remmer FAPAL-CMK een covalente binding vormt met ClpP20. In deze studie werd FAM-FAPAL-CMK, een fluoresceïne-gelabelde afgeleide van FAPAL-CMK, ontwikkeld als een mechanisme-gebaseerde remmer van ClpP, waardoor de intracellulaire lokalisatie mogelijk kon worden weergegeven.
In vergelijking met biochemische assays maakt confocale fluorescentiemicroscopie ruimtelijk opgeloste beoordeling van probe-distributie en mitochondriale morfologie in intacte cellen mogelijk, waarbij informatie wordt verkregen die niet alleen uit lysaten kan worden verkregen. In tegenstelling tot enzymatische assays meet fluorescentielokalisatie echter niet direct de katalytische activiteit of moleculaire bindingsgebeurtenissen en kan het worden beïnvloed door de opname-efficiëntie van de probe, mitochondriale dynamiek en beeldvormingsomstandigheden. Daarnaast is succesvolle implementatie afhankelijk van voldoende probeaccumulatie en voldoende opgeloste mitochondriale netwerken, waardoor deze workflow het meest geschikt is voor hechtende gekweekte cellen met duidelijk herkenbare mitochondriale morfologie.
Het doel van deze studie is het opzetten van een kwantitatieve workflow die mechanisme-gebaseerde fluorescentieprobes integreert met confococale microscopie om mitochondriale protease-lokalisatie en functie in intacte cellen te monitoren. Door selectieve chemische probes te combineren met hoogresolutie confocale beeldvorming, maakt deze workflow beoordeling mogelijk van mitochondriale lokalisatie, probeverdeling en morfologische responsen op verstoringen van mitochondriale homeostase in intacte cellen. Het kan de bestaande biochemische assays aanvullen die direct de proteaseactiviteit meten maar ruimtelijke resolutie missen.