$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Mitochondria są elektrowniami prawie wszystkich komórek eukariotycznych1,2. Oprócz produkcji ATP poprzez fosforylację oksydacyjną, mitochondria odgrywają istotną rolę w innych procesach, takich jak bioenergetyka, homeostaza wapnia, wytwarzanie wolnych rodników, apoptoza i homeostaza komórkowa3,4,5. Ponieważ mitochondria generują reaktywne formy tlenu (ROS) z wielu kompleksów w łańcuchu transportu elektronów, są one stale stymulowane przez potencjalny stres oksydacyjny, który może ostatecznie prowadzić do uszkodzeń strukturalnych i dysfunkcji, gdy załamie się system obrony antyoksydacyjnej6,7. Stwierdzono, że dysfunkcja mitochondriów przyczynia się do wielu chorób, w tym zaburzeń metabolicznych, neurodegeneracji i chorób sercowo-naczyniowych8. Dlatego tak ważne jest utrzymanie zdrowych populacji mitochondriów i ich prawidłowego funkcjonowania. Mitochondria są wysoce plastycznymi i dynamicznymi organellami; ich morfologia i funkcja są kontrolowane przez mechanizmy kontroli jakości mitochondriów, w tym modyfikacje potranslacyjne (PTM) białek mitochondrialnych, biogenezę mitochondriów, fuzję, rozszczepienie i mitofagię9,10. Rozszczepienie mitochondriów, w którym pośredniczy białko 1 związane z dynaminą (DRP1), GTPaza z nadrodziny białek dynaminy, powoduje powstanie małych i okrągłych mitochondriów i izoluje dysfunkcyjne mitochondria, które mogą zostać oczyszczone i zdegradowane przez mitofagię11,12.
Mitofagia to proces komórkowy, który selektywnie degraduje mitochondria przez autofagię, zwykle występującą w uszkodzonych mitochondriach po urazie, starzeniu się lub stresie. Następnie mitochondria te są dostarczane do lizosomów w celu degradacji10. Tak więc mitofagia jest procesem katabolicznym, który pomaga utrzymać ilość i jakość mitochondriów w zdrowym stanie w szerokim zakresie typów komórek. Odgrywa kluczową rolę w przywracaniu homeostazy komórkowej w normalnych warunkach fizjologicznych i stresowych13,14. Komórki charakteryzują się złożonym mechanizmem mitofagii, który jest indukowany przez różne sygnały stresu komórkowego i zmian rozwojowych. Szlaki regulacyjne mitofagii są klasyfikowane jako zależne od ubikwityny lub zależne od receptora15,16; autofagia zależna od ubikwityny jest pośredniczona przez kinazę PINK1 i rekrutację ligazy ubikwityny Parkin E3 do mitochondriów17,18, podczas gdy autofagia zależna od receptora obejmuje wiązanie receptorów autofagii z łańcuchem lekkim białka LC3 związanym z mikrotubulami, który pośredniczy w mitofagii w odpowiedzi na uszkodzenie mitochondriów19.
Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) jest najczęściej używaną metodą i nadal jedną z najlepszych metod obserwacji i wykrywania mitofagii20. Cechami morfologicznymi mitofagii są autofagosomy lub autolizosomy powstałe w wyniku fuzji autofagosomów z lizosomami, które można zaobserwować na obrazach z mikroskopii elektronowej21. Słabością mikroskopii elektronowej (EM) jest jednak niemożność monitorowania dynamicznych procesów mitofagii, takich jak depolaryzacja mitochondriów, rozszczepienie mitochondriów oraz fuzja autofagosomów i lizosomów, w żywej komórce20. Tak więc ocena mitofagii poprzez obrazowanie żywych organelli jest atrakcyjną alternatywną metodą badań mitochondrialnych. Opisana tutaj technika obrazowania żywych komórek wykorzystuje dwa barwniki fluorescencyjne do barwienia mitochondriów i lizosomów. Kiedy zachodzi mitofagia, uszkodzone lub zbędne mitochondria pochłonięte przez autofagosomy są zabarwione na zielono przez barwnik mitochondrialny, podczas gdy czerwony barwnik barwi lizosomy. Fuzja tych autofagosomów i lizosomów, określanych jako autolizosomy, powoduje, że zielona i czerwona fluorescencja nakładają się na siebie i manifestują się jako żółte kropki, wskazując w ten sposób na występowanie mitofagii22. Barwnik mitochondriów przenikany przez komórkę (MitoTracker Green) zawiera łagodnie reagujące z tiolami ugrupowanie chlorometylowe, które oznacza mitochondria23. Aby oznaczyć mitochondria, komórki są po prostu inkubowane z barwnikiem, który dyfunduje pasywnie przez błonę plazmatyczną i gromadzi się w aktywnych mitochondriach. Ten barwnik mitochondriów może łatwo barwić żywe komórki i jest mniej skuteczny w barwieniu komórek utrwalonych aldehydem lub martwych. Barwnik lizosomowy (LysoTracker Red) to fluorescencyjna sonda kwasotropowa służąca do znakowania i śledzenia organelli kwasowych w żywych komórkach. Barwnik ten wykazuje wysoką selektywność w stosunku do organelli kwaśnych i może skutecznie znakować żywe komórki w stężeniach nanomolowych24.
Procedury użycia tych barwników fluorescencyjnych w żywych komórkach, w tym ładowanie barwników oraz wizualizacja mitochondriów i lizosomów, są przedstawione tutaj. Ta metoda może pomóc naukowcom w obserwacji mitofagii za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej żywych komórek. Może być również stosowany do ilościowego określania mitochondriów i lizosomów oraz oceny morfologii mitochondriów.