Mitochondria i retikulum endoplazmatyczne (ER) nie są niezależnymi organellami w komórce, lecz oddziałują ze sobą strukturalnie i funkcjonalnie w miejscach kontaktu definiowanych jako błony retikulum endoplazmatycznego stowarzyszone z mitochondriami (MAM). W rzeczywistości MAM odpowiadają regionom, w których błony ER i mitochondriów ściśle do siebie przylegają, co umożliwia oddziaływania między białkami z obu stron. Niemniej jednak błony tych organelli nie łączą się w tych regionach, dzięki czemu zachowują one swoją odrębność. MAM odgrywają kluczową rolę w transporcie wapnia (Ca2+) i fosfolipidów z ER do mitochondriów, wpływając na metabolizm energetyczny i przeżywalność komórek1-3.
Powiązania między siateczką śródplazmatyczną (ER) a mitochondriami zostały po raz pierwszy zobrazowane w latach 70. XX wieku za pomocą mikroskopii elektronowej. Od tego czasu klasycznie stosowano transmisyjną mikroskopię elektronową4,5, tomografię elektronową6,7 lub immunolokalizację fluoroforów/białek fluorescencyjnych specyficznych dla ER i mitochondriów8 w celu badania oddziaływań ER-mitochondria. Innym użytecznym narzędziem do analizy MAM jest frakcjonowanie subkomórkowe. Pozwala ono na izolację frakcji MAM poprzez różnicowe ultrawirowanie w połączeniu z gradientem Percoll9. Jednakże produkt końcowy zawiera wzbogacone frakcje MAM, a nie frakcje czyste. Łącznie strategie te nie są szczególnie czułe i/lub ilościowe oraz nie nadają się do łatwego prowadzenia szerokich badań przesiewowych. Alternatywnie pojawiły się podejścia genetyczne z wykorzystaniem indukowanych lekiem fluorescencyjnych łączników międzyorganellowych, lecz nie pozwalają one na analizę oddziaływań organelli przy endogennych poziomach ekspresji białek10.
W oparciu o odkrycie kompleksu IP3R/GRP75/VDAC w obszarze MAM11 dokonane przez Szabadkai, opracowaliśmy ilościową metodę analizy oddziaływań między siateczką śródplazmatyczną (ER) a mitochondriami. Wykorzystaliśmy test ligacji bliskości in situ (proximity ligation assay), aby wykryć i określić ilość oddziaływań pomiędzy VDAC1 a IP3R1, dwoma białkami powierzchni organelli uczestniczącymi w kompleksie kanałów Ca2+ na styku MAM w utrwalonych komórkach12. W skrócie, badaliśmy VDAC1 w zewnętrznej błonie mitochondrialnej (mysi przeciwciało pierwszorzędowe anty-VDAC1) oraz IP3R1 w błonie ER (królicze przeciwciało pierwszorzędowe anty-IP3R1) (Rysunek 1, panel a). Następnie, zgodnie z procedurą testu, dodaliśmy zarówno przeciwciała IgG anty-mysie, jak i anty-królicze (sondy do testu ligacji bliskości dla myszy i królika), które są sprzężone z komplementarnymi rozszerzeniami oligonukleotydowymi. Jeśli dwa docelowe białka znajdują się w odległości mniejszej niż 40 nm, oligonukleotydy mogą zhybrydyzować z dodanymi później oligonukleotydami łącznikowymi, co umożliwia utworzenie kolistego szablonu DNA (Rysunek 1, panel b). Ta kolista cząsteczka DNA jest ligowana i amplifikowana, tworząc jednoniciowy produkt DNA kowalencyjnie przyłączony do jednej z sond bliskości (Rysunek 1, panel c). Ponieważ odległość między ER a mitochondriami na styku MAM wynosi od 10 nm do 25 nm6, możliwe jest przeprowadzenie ligacji bliskości i amplifikacji, co prowadzi do późniejszej detekcji dzięki hybrydyzacji sond oligonukleotydowych znakowanych Texas red (Rysunek 1, panel d). Każda fluorescencyjna kropka reprezentuje oddziaływania między VDAC1/IP3R1, co pozwala na ilościowe określenie oddziaływań ER-mitochondria in situ w pojedynczych komórkach.

Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie detekcji oddziaływań między retikulum endoplazmatycznym a mitochondriami za pomocą In situ Analiza ligacji bliskości (Proximity Ligation Assay). a) mysi przeciwciało pierwotne skierowane przeciwko VDAC1 oraz królicze przeciwciało pierwotne skierowane przeciwko IP3R1 mogą wiązać się z ich epitopami w bliskiej odległości na interfejsie MAM, b) Dodanie pary sond do ligacji zbliżeniowej skierowanych przeciwko IgG mysiego i króliczego. Sondy te posiadają przyłączone nici DNA, które mogą stanowić matryce do ligacji oligonukleotydów łączących. c) Kolista nić DNA powstała po ligacji może zostać poddana amplifikacji i d) wizualizowane za pomocą mikroskopii jako fluorescencyjna kropka z wykorzystaniem oligonukleotydów znakowanych Texas Red. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.
Podobne eksperymenty z wykorzystaniem testu ligacji w pobliżu in situ można przeprowadzić z użyciem pary przeciwciał GRP75/IP3R1, a także przeciwciał cyklofiliny D (CypD)/IP3R1, biorąc pod uwagę, że wykazano interakcję CypD z kompleksem IP3R/GRP75/VDAC na styku MAM12-14.