Ten artykuł o metodzie szczegółowo opisuje główne etapy pomiaru przecieku H+ przez wewnętrzną błonę mitochondrialną za pomocą techniki patch-clamp, nowego podejścia do badania termogenicznej zdolności mitochondriów.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł o metodzie szczegółowo opisuje główne etapy pomiaru przecieku H+ przez wewnętrzną błonę mitochondrialną za pomocą techniki patch-clamp, nowego podejścia do badania termogenicznej zdolności mitochondriów.
Termogeneza mitochondrialna (znana również jako rozprzęganie mitochondriów) jest jednym z najbardziej obiecujących celów dla zwiększenia wydatku energetycznego w celu zwalczania zespołu metabolicznego. Tkanki termogeniczne, takie jak tłuszcze brązowe i beżowe, rozwijają wysoce wyspecjalizowane mitochondria do produkcji ciepła. Mitochondria innych tkanek, które przede wszystkim produkują ATP, również przekształcają do 25% całkowitej produkcji energii mitochondrialnej w ciepło i dlatego mogą mieć znaczący wpływ na fizjologię całego organizmu. Termogeneza mitochondrialna jest nie tylko niezbędna do utrzymania temperatury ciała, ale także zapobiega otyłości wywołanej dietą i zmniejsza produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) w celu ochrony komórek przed uszkodzeniem oksydacyjnym. Ponieważ termogeneza mitochondriów jest kluczowym regulatorem metabolizmu komórkowego, mechanistyczne zrozumienie tego podstawowego procesu pomoże w opracowaniu strategii terapeutycznych w celu zwalczania wielu patologii związanych z dysfunkcją mitochondriów. Co ważne, dokładne mechanizmy molekularne, które kontrolują ostrą aktywację termogenezy w mitochondriach, są słabo poznane. Ten brak informacji wynika w dużej mierze z braku metod bezpośredniego pomiaru białek rozprzęgających. Niedawny rozwój metodologii patch-clamp zastosowanej do mitochondriów umożliwił po raz pierwszy bezpośrednie zbadanie zjawiska leżącego u podstaw termogenezy mitochondriów, wycieku H+ przez IMM oraz pierwszą biofizyczną charakterystykę odpowiedzialnych za to transporterów mitochondrialnych, białka rozprzęgającego 1 (UCP1), specyficznego dla tłuszczów brunatnych i beżowych, oraz transportera ADP/ATP (AAC) dla wszystkich innych tkanek. To unikalne podejście dostarczy nowych informacji na temat mechanizmów kontrolujących wyciek H+ i termogenezę mitochondriów oraz tego, w jaki sposób można je ukierunkować w walce z zespołem metabolicznym. W artykule opisano metodologię patch-clamp zastosowaną do mitochondriów w celu zbadania ich zdolności termogenicznej poprzez bezpośredni pomiar prądów H+ przez IMM.
Mitochondria słyną z tego, że są siłą napędową komórki. Rzeczywiście, są one głównym źródłem energii chemicznej, ATP. Mniej znane jest to, że mitochondria również wytwarzają ciepło. W rzeczywistości każde mitochondrium stale generuje dwa rodzaje energii (ATP i ciepło), a delikatna równowaga między tymi dwiema formami energii definiuje homeostazę komórek metabolicznych (Rysunek 1). To, w jaki sposób mitochondria rozprowadzają energię między ATP a ciepłem, jest z pewnością najbardziej fundamentalnym pytaniem w dziedzinie bioenergetyki, choć nadal jest w dużej mierze nieznane. Wiemy, że zwiększenie produkcji ciepła w mitochondriach (zwanej termogenezą mitochondrialną), a w konsekwencji zmniejszenie produkcji ATP zwiększa wydatek energetyczny i jest to jeden z najlepszych sposobów walki z zespołem metabolicznym1.
Termogeneza mitochondrialna wywodzi się z przecieku H+ przez wewnętrzną błonę mitochondrialną (IMM), co prowadzi do rozłączenia utleniania substratu i syntezy ATP, a w konsekwencji do produkcji ciepła, stąd nazwa "rozprzęganie mitochondriów"1 (Rysunek 1). Ten wyciek H+ zależy od transporterów mitochondrialnych zwanych białkami rozprzęgającymi (UCP). UCP1 był pierwszym zidentyfikowanym UCP. Wyraża się tylko w tkankach termogenicznych, brunatnym tłuszczu i beżowym tłuszczu, w których mitochondria są wyspecjalizowane w produkcji ciepła2,3,4. Tożsamość UCP w tkankach nietłuszczowych, takich jak mięśnie szkieletowe, serce i wątroba, pozostaje kontrowersyjna. Mitochondria w tych tkankach mogą mieć około 25% całkowitej energii mitochondrialnej zamienionej na ciepło, co może znacząco wpłynąć na fizjologię całego ciała1. Oprócz utrzymywania temperatury głębokiej ciała, termogeneza mitochondrialna zapobiega również otyłości wywołanej dietą poprzez redukcję kalorii. Ponadto zmniejsza produkcję reaktywnych form tlenu (ROS) przez mitochondria w celu ochrony komórek przed uszkodzeniem oksydacyjnym1. Tak więc termogeneza mitochondrialna bierze udział w normalnym starzeniu się, zaburzeniach zwyrodnieniowych związanych z wiekiem i innych stanach związanych ze stresem oksydacyjnym, takich jak niedokrwienie-reperfuzja. Dlatego termogeneza mitochondrialna jest potężnym regulatorem metabolizmu komórkowego, a mechanistyczne zrozumienie tego podstawowego procesu będzie sprzyjać rozwojowi strategii terapeutycznych w celu zwalczania wielu patologii związanych z dysfunkcją mitochondriów.
Oddychanie mitochondrialne było pierwszą techniką, która ujawniła kluczową rolę termogenezy mitochondrialnej w metabolizmie komórkowym i nadal jest najpopularniejsze w społeczności1. Technika ta opiera się na pomiarze zużycia tlenu przez mitochondrialny łańcuch transportu elektronów (ETC), który zwiększa się, gdy aktywowany jest mitochondrialny wyciek H+. Technika ta, choć kluczowa, nie może bezpośrednio badać mitochondrialnego wycieku H+ przez IMM1, co utrudnia precyzyjną identyfikację i charakterystykę białek odpowiedzialnych za to, szczególnie w tkankach nietłuszczowych, w których produkcja ciepła jest wtórna w porównaniu z produkcją ATP. Niedawny rozwój techniki patch-clamp zastosowanej do mitochondriów zapewnił pierwsze bezpośrednie badanie wycieku H+ przez cały IMM w różnych tkankach5,6,7.
Mitochondrialny patch-clamp całego IMM został po raz pierwszy ustanowiony w powtarzalny sposób przez Kirichoka i wsp.8. Opisali oni pierwszy bezpośredni pomiar mitochondrialnych prądów uniportera wapnia (MCU) w 2004 roku przy użyciu mitoplastów z linii komórkowych COS-78. Później laboratorium Kirichok wykazało prądy wapnia z IMM mouse9 i Drosophila tissues9. Inne laboratoria rutynowo używają tej techniki do badania właściwości biofizycznych MCU10,11,12,13,14. Możliwa jest również pełna analiza IMM patch-clamp przewodnictwa potasu i chlorków, o której wspomniano w kilku artykułach, ale nie była jeszcze głównym tematem publikacji6,7,9. Pierwszy pomiar prądów H+ w IMM został zgłoszony w 2012 r. z mitochondriów brązowego tłuszczu myszy6, a z mitochondriów mysiego beżowego tłuszczu w 2017 r.7. Prąd ten jest spowodowany specyficznym białkiem rozprzęgającym tkanki termogeniczne, UCP16,7. Ostatnie prace opublikowane w 2019 roku scharakteryzowały AAC jako główne białko odpowiedzialne za mitochondrialny wyciek H+ w tkankach nietłuszczowych, takich jak serce i mięśnie szkieletowe5.
To unikalne podejście pozwala teraz na bezpośrednią, funkcjonalną analizę mitochondrialnych kanałów jonowych i transporterów odpowiedzialnych za termogenezę mitochondriów w wysokiej rozdzielczości. Aby ułatwić rozszerzenie metody i uzupełnić inne badania, takie jak oddychanie mitochondrialne, poniżej opisano szczegółowy protokół pomiaru prądów H+ przenoszonych przez UCP1 i AAC. Opisano trzy ważne kroki: 1) izolację mitochondriów z brunatnego tłuszczu myszy w celu analizy prądu H+ zależnego od UCP1 i izolację mitochondriów od serca w celu analizy prądu H+ zależnego od AAC, 2) przygotowanie mitoplastów za pomocą prasy francuskiej do mechanicznego pęknięcia zewnętrznej błony mitochondrialnej (OMM), 3) zapisy patch-clamp prądów H+ zależnych od UCP1 i AAC na całym IMM.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury eksperymentalne na zwierzętach, które zostały przeprowadzone, są zgodne z wytycznymi National Institutes of Health i zostały zatwierdzone przez University of California Los Angeles Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).
UWAGA: Procedura izolacji mitochondriów opiera się na wirowaniu różnicowym i różni się nieznacznie w zależności od tkanki. Na przykład, ponieważ brunatna tkanka tłuszczowa jest niezwykle bogata w lipidy, wymaga dodatkowego etapu, aby oddzielić resztki komórek i organelle od fazy lipidowej przed zbiorem mitochondriów. Aby uniknąć nieporozumień, dwie procedury izolacji mitochondriów (jedna z brązowego tłuszczu, a druga z serca) są szczegółowo opisane poniżej.
1. Izolacja mitochondrialna z brązowego tłuszczu międzyłopatkowego myszy (zmodyfikowana z Bertholet et al. 2020)15
2. Izolacja mitochondrialna od serca myszy (zmodyfikowana z Garg et al. 2019)17
3. Przygotowanie mitoplastów za pomocą prasy francuskiej do mechanicznego pęknięcia OMM.
UWAGA: Procedura francuskiego pressingu pozwala na zwolnienie IMM z OMM z zachowaniem jego integralności, w tym matrycy i crista (Rysunek 2)18. Mitochondria są wstępnie inkubowane w buforze hipertonicznym mannitolu (Tabela 2) i poddawane niższemu ciśnieniu podczas procedury tłoczenia francuskiego, aby uniknąć drastycznego rozciągnięcia IMM po pęknięciu OMM.
4. Zapisy elektrofizjologiczne H+ przeciekają przez UCP1 i AAC5,7,15
UWAGA: Użyj następującej konfiguracji elektrofizjologicznej (Rysunek 3B): odwrócony mikroskop z różnicowym kontrastem interferencyjnym (DIC), 60-krotny obiektyw zanurzeniowy w wodzie, stół do izolacji drgań i klatka Faradaya, standardowy wzmacniacz obsługujący nagrania o niskim poziomie szumów, standardowy digitizer używany do konfiguracji elektrofizjologicznej, pClamp 10, mikromanipulator, elektroda referencyjna do kąpieli (3 M mostek solny KCl-agar umieszczony w uchwycie mikroelektrody zawierający granulkę srebra/chlorku srebra uformowaną w korpusie uchwytu (opisaną w Liu et al. 2021)19, komora perfuzyjna z dnem ze szkła nakrywkowego o grubości 0,13 mm, podłączona do grawitacyjnego systemu perfuzyjnego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rozwój metodologii patch-clamp zastosowanej do mitochondriów dostarczył pierwszego bezpośredniego badania wycieku H+ przez IMM i transportery mitochondrialne, UCP1 i AAC, które są za to odpowiedzialne. Analiza elektrofizjologiczna nieszczelności H+ zależnych od UCP1 i AAC może dostarczyć pierwszego spojrzenia na termogeniczną zdolność mitochondriów. W sekcji wyników opisano standardowe procedury pomiaru wycieku H+ za pomocą UCP1 i AAC.
Pomiar prądu H
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie techniki patch-clamp zastosowanej ostatnio do mitochondriów, nowego podejścia do bezpośredniego badania wycieku H+ przez IMM odpowiedzialnego za termogenezę mitochondriów 5,6,7,15. Technika ta nie ogranicza się do tkanek i może być również stosowana do analizy przecieku H+ i innych przewodnictw IMM w różnych standardowych modelac...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autor deklaruje brak sprzecznych interesów.
Dziękuję doktorowi Jurijowi Kirichokowi za wspaniałą naukę, której byłem częścią w jego laboratorium oraz członkom laboratorium Kirichoka za pomocne dyskusje. Dziękuję również dr Douglasowi C. Wallace'owi za dostarczenie myszy z nokautem AAC1. Finansowanie: A.M.B było wspierane przez American Heart Association Career Development Award 19CDA34630062.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 0,1% żelatyny | Millipore | ES-006-B | |
| 60X obiektyw zanurzeniowy w wodzie, apertura numeryczna 1,20 | Wzmacniacz Olympus | UPLSAPO60XW | |
| Axopatch 200B | Urządzenia molekularne Kapilary | ||
| ze szkła borokrzemianowego | Sutter Instruments | BF150-86-10 | |
| Digidata 1550B Digitizer | Urządzenia molekularne | ||
| Klatka Faradaya | Domowa | ||
| francuska prasa | Glen Mills | 5500-000011 | |
| Mieszadło | |||
| Mikroskop odwrócony | Olympus | IX71 lub IX73 | |
| Micro Forge | (Narishige) | MF-830 | |
| Mikromanupulator MPC-385 | Sutter Instrumenty | FG-MPC325 | |
| Uchwyt mikroelektrody do mostu agarowego | World Precision Instruments | MEH3F4515 | |
| Ściągacz do mikropipet | (Sutter Instruments) | P97 | |
| Mini komórka do prasy francuskiej | Glen Mills | 5500-FA-004 | |
| MIXER IKA 6-2000RPM | Cole Parmer | EW-50705-50 | |
| Obiektyw 100-krotne powiększenie | Obiektyw Nikon | MPlan 100/0.80 ELWD 210/0 | |
| pClamp 10 | Urządzenia molekularne Komora | ||
| perfuzyjna | Warner Instruments | RC-24E | |
| Homogenizator Potter-Elvehjem 10 ml | Wheaton | 358039 | |
| Wirówka z chłodzeniem SORVALL X4R PRO-MD | Thermo Scientific | 75 009 521 | |
| Małe okrągłe szkiełka nakrywkowe: średnica 5 mm, grubość 0,1 mm | Warner Instruments | 640700 | |
| Stół wibroizolacyjny | Newport | VIS3036-SG2-325A | |
| Chemicals | |||
| Kwas D-glukonowy | Sigma Aldrich | G1951 | |
| D-mannitol | Sigma Aldrich | M4125 | |
| EGTA& | nbsp; Sigma Aldrich | 3777 | |
| HEPES& | nbsp; Sigma Aldrich | H7523 | |
| KCl | Sigma Aldrich | 60128 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | 63068 | |
| sacharoza | Sigma Aldrich | S7903 | |
| TMA& | nbsp; Sigma Aldrich | 331635 | |
| TrisBase | Sigma Aldrich | T1503 | |
| TrisCl | Sigma Aldrich | T3253 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie