Makroautofagia to proces wewnątrzkomórkowy, który obejmuje kataboliczną degradację zarówno uszkodzonych, jak i dysfunkcyjnych składników komórkowych, takich jak organelle i białka, w celu recyklingu lub produkcji energii. Aby zainicjować ten proces metaboliczny, komórka pochłania uszkodzone składniki komórkowe w strukturę podwójnej błony, znaną jako autofagosom, która łączy się z lizosomem, a jej zawartość jest degradowana i poddawana recyklingowi 1,2. Istnieją dwa główne typy autofagii, nieselektywny i selektywny. Nieselektywny proces autofagii zachodzi, gdy komórka znajduje się w warunkach niedoboru składników odżywczych i musi zbierać zarówno niezbędne składniki odżywcze, jak i energię. Jednak selektywna autofagia zachodzi, aby pośredniczyć w usuwaniu zarówno dysfunkcyjnych/uszkodzonych organelli, jak i białek, które w przeciwnym razie mogłyby być toksyczne. Jednym z najlepiej zbadanych selektywnych procesów autofagii jest usuwanie mitochondriów, określane mianem mitofagii 1,3-5.
Mitochondria są centralnymi organellami metabolizmu komórkowego i głównym źródłem trifosforanu adenozyny (ATP) poprzez fosforylację oksydacyjną poprzez łańcuch transportu elektronów, utlenianie kwasów tłuszczowych i cykl kwasu trikarboksylowego (TCA). Ponadto mitochondria regulują produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) i uwalniają białka, które uczestniczą w szlakach śmierci komórki 6-8.
Przypuszczalna kinaza 1 (PINK1) indukowana przez PTEN i ligaza ubikwityny Parkin RBR E3 (Parkin) są kluczowymi białkami zaangażowanymi w proces mitofagii. Parkina może chronić przed śmiercią komórki, utrzymując komórkę w zdrowiu poprzez mitochondrialną kontrolę jakości9. Po utracie potencjału błony mitochondrialnej, cytozolowa parkina jest rekrutowana do mitochondriów przez PINK1. Ta rekrutacja wyzwala sekwencyjne zdarzenia mitofagii 10. Istnieje szeroki zakres dowodów na to, że mitofagia jest podstawowym procesem kontroli jakości mitochondriów, a nieprawidłowości w tym procesie napędzają chorobę 7. Na przykład autosomalna recesywna choroba Parkinsona jest związana z mutacjami w genach kodujących Parkinę i PINK1 (odpowiednio PARK2 i PINK1) 11. Kontrola jakości zdrowia mitochondriów jest niezbędna do usunięcia mitochondriów, które przyczyniają się do akumulacji ROS12. Nadmierna obecność wewnątrzkomórkowych ROS może prowadzić do uszkodzenia zarówno jądrowego, jak i mitochondrialnego DNA (odpowiednio DNA i mt DNA).
Tutaj pokazujemy metodę poklatkowej mikroskopii wideo, aby śledzić agregację Parkiny po indukcji mitofagii za pośrednictwem Parkiny w unieśmiertelnionych fibroblastach embrionalnych myszy poprzez podanie in vitro 4-(trifluorometoksy)-fenylohydrazonu karbonylowego, środka rozprzęgającego. FCCP zakłóca syntezę ATP poprzez zwarcie protonów przez zewnętrzną błonę mitochondriów, a tym samym rozprzęganie fosforylacji oksydacyjnej od łańcucha transportu elektronów 13. Wywołanie depolaryzacji błony mitochondrialnej prowadzi do zakłócenia mitochondriów i selektywnego usuwania zależnego od Parkiny. W związku z tym, transfekcja komórek będących przedmiotem zainteresowania wektorem ekspresyjnym kodującym Parkinę połączoną z markerem fluorescencyjnym (wzmocnione żółte białko fluorescencyjne, EYFP) może być wykorzystana jako znacznik fluorescencyjny do śledzenia rekrutacji Parkiny podczas procesu mitofagicznego. Aby uwidocznić mitochondria, przeprowadziliśmy kotransfekcję pDsRed2-Mito, który koduje czerwone białko fluorescencyjne (DsRed2), które zawiera mitochondrialną sekwencję docelową podjednostki VIII oksydazy cytochromu c (Mito). pDsRed2-Mito jest przeznaczony do znakowania fluorescencyjnego mitochondriów14. Czas potrzebny do translokacji Parkiny do błony mitochondrialnej może być mierzony i daje pośrednią miarę zdrowia komórek. Na przykład możemy powiedzieć, że jeśli linia komórkowa znokautowana dla określonego genu będącego przedmiotem zainteresowania wykazuje szybszą lub wolniejszą rekrutację parkiny po indukcji mitofagii przez FCCP, ten produkt genowy byłby kluczowym graczem w celu utrzymania tempa metabolizmu komórki w stanie fizjologicznym i zapobiegania rozwojowi chorób. W związku z tym poklatkowa mikroskopia wideo stanowi bardzo potężne narzędzie zarówno do zastosowań podstawowych, jak i klinicznych, w śledzeniu dynamiki znakowanych białek podczas ich procesów molekularnych i zrozumieniu, w jaki sposób procesy te wpływają na stan patologiczny.