Fuzja mitochondriów odgrywa kluczową rolę w homeostazie wapnia w mitochondriach, bioenergetyce, autofagii i kontroli jakości. Fuzję w żywych komórkach ilościowo określa się poprzez fotokonwersję skierowanego do macierzy fotoaktywnego GFP (mtPAGFP) w podgrupie mitochondriów. Szybkość, z jaką sfotokonwertowane cząsteczki równoważą się w całej populacji mitochondriów, służy jako miara aktywności fuzji. Do tej pory pomiary przeprowadzano przy użyciu podejścia time-lapse dla pojedynczej komórki, ilościowo określając równowagę w jednej komórce w ciągu godziny. W niniejszej pracy skalujemy i automatyzujemy wcześniej opisaną metodę dla żywych komórek, opartą na wykorzystaniu mtPAGFP i niskiego stężenia TMRE (15 nm). Metoda ta polega na fotoaktywacji niewielkiej części sieci mitochondrialnej, zbieraniu wysoko rozdzielczych stosów przekrojów konfokalnych co 15 min przez 1 godzinę oraz ilościowym określeniu zmiany natężenia sygnału. W zależności od kilku czynników, takich jak łatwość znalezienia komórek wykazujących ekspresję PAGFP oraz sygnał z regionów fotoaktywowanych, możliwe jest zebranie danych z około 10 komórek w odstępach 15 min. Zapewnia to znaczną poprawę wydajności czasowej tego testu, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej rozdzielczości ilościowej na poziomie subkomórkowym, a także parametrów kinetycznych niezbędnych do uchwycenia szczegółów zachowania mitochondriów w ich naturalnym środowisku cytoarchitektonicznym.
Dynamika mitochondrialna odgrywa istotną rolę w wielu procesach komórkowych, w tym w oddychaniu, regulacji poziomu wapnia i apoptozie1,2,3,13. Struktura sieci mitochondrialnej wpływa na funkcję mitochondriów oraz sposób, w jaki oddziałują one z resztą komórki. Podlegając ciągłym procesom podziału i łączenia, sieci mitochondrialne przyjmują różne kształty – od sieci silnie połączonych po struktury bardziej pofragmentowane. Co ciekawe, choroba Alzheimera, choroba Parkinsona, choroba Charcota-Marie-Totha typu 2A oraz dominująca zanik nerwu wzrokowego są skorelowane ze zmianami morfologii mitochondriów, a konkretnie z fragmentacją sieci4,10,13. Często po fragmentacji mitochondria ulegają depolaryzacji, a ich nagromadzenie prowadzi do upośledzenia funkcji komórki18. Wykazano, że podział mitochondriów może być sygnałem dla komórki do przejścia w stan apoptozy. Może on również stanowić mechanizm oddzielania zdepolaryzowanych i nieaktywnych mitochondriów, co pozwala zachować sprawność głównej części sieci14. Z kolei łączenie się mitochondriów prowadzi do wymiany białek macierzy, substancji rozpuszczonych, mtDNA oraz gradientu elektrochemicznego i wydaje się zapobiegać postępowaniu w stronę apoptozy9. Wpływ podziału i łączenia się mitochondriów na homeostazę komórkową, a w konsekwencji na funkcjonowanie organizmu, wymaga dalszych badań, dlatego niezbędny jest ciągły rozwój i optymalizacja metod gromadzenia informacji na temat tych zjawisk.
Istniejące testy fuzji mitochondriów dostarczyły wielu cennych informacji na temat fizjologii mitochondriów, a każda z tych metod posiada własne zalety. Hybrydowy test fuzji z użyciem PEG7 polega na mieszaniu dwóch populacji komórek znakowanych w różny sposób (mtRFP i mtYFP), a następnie analizie stopnia mieszania i kolokalizacji fluoroforów w zfuzjowanych komórkach wielojądrowych. Choć metoda ta dostarczyła istotnych danych, nie wszystkie typy komórek mogą ulegać fuzji, a warunki stymulujące ten proces wiążą się z zastosowaniem toksycznych leków, które prawdopodobnie wpływają na naturalny przebieg fuzji. W ostatnim czasie opracowano technikę bezkomórkową, wykorzystującą izolowane mitochondria do obserwacji zdarzeń fuzji w oparciu o test lucyferazy1,5. Dwie linie komórkowe człowieka są celowane za pomocą odpowiednio części aminowej lub karboksylowej lucyferazy Renilla wraz z tzw. zamkiem leucynowym (leucine zipper), aby zapewnić dimeryzację po zmieszaniu. Mitochondria są izolowane z każdej z linii komórkowych, a następnie poddawane fuzji. Reakcja fuzji może zachodzić bez obecności cytozolu w warunkach fizjologicznych, przy dostępie do energii, odpowiedniej temperaturze oraz zachowaniu potencjału wewnętrznej błony mitochondrialnej. Co ciekawe, stwierdzono, że cytozol moduluje zakres fuzji, co dowodzi, że sygnalizacja komórkowa reguluje proces fuzji 4,5. Test ten będzie bardzo użyteczny w badaniach wysokoprzepustowych w celu identyfikacji komponentów aparatu fuzyjnego, a także związków farmakologicznych, które mogą wpływać na dynamikę mitochondriów. Niemniej jednak, aby uzupełnić ten test in vitro i zaobserwować te zdarzenia w środowisku komórkowym, konieczne będzie zastosowanie bardziej szczegółowych testów mitochondrialnych przeprowadzanych na całych komórkach.
Od pewnego czasu stosowana jest technika monitorowania dynamiki mitochondriów w całych komórkach, oparta na skierowanym do mitochondriów fotoaktywowalnym białku GFP (mtPAGFP)6,11. Po ekspresji mtPAGFP niewielka część sieci mitochondrialnej (10-20%) zostaje fotoaktywowana, a rozprzestrzenianie się sygnału na resztę sieci mitochondrialnej jest rejestrowane co 15 minut przez 1 godzinę przy użyciu konfokalnej obrazowni poklatkowej. Każde zdarzenie fuzji prowadzi do rozcieńczenia intensywności sygnału, co umożliwia kwantyfikację szybkości fuzji. Chociaż fuzja i fisja zachodzą w komórkach w sposób ciągły, technika ta monitoruje jedynie fuzję, ponieważ fisja nie prowadzi do rozcieńczenia sygnału PAGFP6. Współoznaczenie niskimi stężeniami TMRE (7-15 nM w komórkach INS1) pozwala na kwantyfikację potencjału błonowego mitochondriów. Gdy mitochondria są hiperpolaryzowane, pobierają więcej TMRE, a gdy ulegają depolaryzacji, tracą barwnik TMRE. Mitochondria, które ulegają depolaryzacji, nie posiadają już wystarczającego potencjału błonowego i mają tendencję do mniej wydajnej fuzji lub całkowitego braku fuzji. Dlatego aktywne mitochondria ulegające fuzji można śledzić przy tych niskich stężeniach TMRE9,15. Akumulacja zdepolaryzowanych mitochondriów pozbawionych sygnału TMRE może być oznaką fototoksyczności lub śmierci komórki. Wyższe stężenia TMRE sprawiają, że mitochondria stają się bardzo wrażliwe na światło laserowe, dlatego należy zachować szczególną ostrożność, aby uniknąć nadmiernego znakowania TMRE. Jeśli przedmiotem zainteresowania jest efekt depolaryzacji mitochondriów, można zastosować technikę z użyciem nieco wyższych stężeń TMRE i intensywniejszego światła laserowego, aby zdepolaryzować mitochondria w sposób kontrolowany (Mitra i Lippincott-Schwartz, 2010). Aby upewnić się, że toksyczność wywołana przez TMRE nie stanowi problemu, sugerujemy poddanie obciążonych komórek (3-15 nM TMRE) parametrom obrazowania, które będą stosowane w analizie (np. 7 stosów po 6 przekrojów optycznych jeden po drugim), i ocenę stanu zdrowia komórek po 2 godzinach. Jeśli mitochondria wydają się zbyt pofragmentowane, a komórki obumierają, zamiast TMRE można zastosować inne markery mitochondrialne, takie jak dsRED lub Mitotracker red.
Metoda mtPAGFP ujawniła szczegóły dotyczące zachowania sieci mitochondrialnej, których nie można było zwizualizować za pomocą innych metod. Wiemy na przykład, że fuzja mitochondrialna może być pełna lub przejściowa, przy czym zawartość macierzy może mieszać się bez zmiany ogólnej morfologii sieci. Dodatkowo wiemy, że prawdopodobieństwo fuzji jest niezależne od czasu trwania kontaktu i wymiarów organelli, a zależy od ruchliwości organelli, potencjału błonowego oraz historii poprzedniej aktywności fuzyjnej8,15,16,17.
W niniejszym manuskrypcie opisujemy metodologię skalowania wcześniej opublikowanego protokołu z wykorzystaniem mtPAGFP i 15nM TMRE8 w celu badania wielu komórek jednocześnie i zwiększenia efektywności czasowej gromadzenia danych bez utraty rozdzielczości subkomórkowej. Stało się to możliwe dzięki zastosowaniu zautomatyzowanego stolika mikroskopowego oraz programowalnego oprogramowania do akwizycji obrazów. Oprogramowanie Zen firmy Zeiss umożliwia użytkownikowi oznakowanie i śledzenie kilku wybranych komórek wykazujących ekspresję mtPAGFP. Każda z tych komórek może zostać fotoaktywowana w określonym obszarze zainteresowania, a stosy przekrojów konfokalnych mogą być monitorowane pod kątem sygnału mtPAGFP oraz TMRE w określonych odstępach czasu. Do przeprowadzenia tego protokołu można użyć innych systemów konfokalnych, pod warunkiem dostępności programowalnego, zautomatyzowanego stolika, inkubatora z CO2 oraz sposobu fotoaktywacji PAGFP; może to być laser wielofotonowy lub laser diodowy o długości fali 405 nm.