Interakcje między ER a mitochondriami są kluczowe dla homeostazy komórkowej i przeżycia1,2,3,4. Wcześniejsze dowody wskazują, że każdy rodzaj zakłócenia lub rozregulowania w miejscach kontaktu ER-mitochondriów może przyczyniać się do wielu chorób neurodegeneracyjnych, metabolicznych i sercowo-naczyniowych, a także raka5,6,7,8,9,10. Na przykład nieprawidłowy wzrost wychwytu Ca2+ do mitochondriów może prowadzić do śmierci komórki poprzez otwarcie porów przejściowych przepuszczalności mitochondriów, które są powszechnie obserwowane w niektórych modelach choroby Alzheimera5,11. Podobnie, zmniejszone kontakty ER-mitochondria mogą powodować zmniejszenie produkcji ATP i upośledzenie spożycia Ca2+, co widać w modelach stwardnienia zanikowego bocznego5,11,12. Ponieważ prowadzonych jest coraz więcej badań w dziedzinie kontaktów ER-mitochondria, odkrywane są dodatkowe białka i geny związane z chorobą, które mogą wpływać na te kontakty. Pomimo obecnej wiedzy i dowodów wskazujących na rolę miejsc kontaktu ER-mitochondriów, nadal potrzeba wielu prac, aby wyjaśnić, w jaki sposób kontakty te mogą prowadzić do utraty funkcji komórkowych i ostatecznie śmierci komórki.
Opracowano różne metody oceny bliskości dwóch błon, morfologii strukturalnej i odległości między dwoma miejscami kontaktu organelli3,4,13. Podejścia do monitorowania sprzężenia ER-mitochondriów obejmują obrazowanie oparte na markerach fluorescencyjnych14,15, obrazowanie oparte na reporterze FRET16 oraz obrazowanie oparte na podzielonej sondzie fluorescencji17,18, które wykorzystują mikroskopię epifluorescencyjną i konfokalną. Mikroskopia superrozdzielcza i atomowo-rozdzielcza są również potężnymi narzędziami do dokładnej wizualizacji kontaktów między organellami, chociaż ich wykorzystanie w analizie miejsca kontaktu jest nadal ograniczone, ponieważ wymagają wysoce dedykowanych mikroskopów i wiedzy technicznej19. Ponadto powszechnie stosowana jest transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i inne techniki EM, takie jak tomografia elektronowa (ET) i mikroskopia krioelektronowa, ponieważ zapewniają one ultrastrukturalne obrazowanie miejsc kontaktu w wysokiej rozdzielczości, które często są niemożliwe do zbadania przy użyciu innych podejść eksperymentalnych20,21,22. Jednak te metody oparte na EM są techniką o bardzo niskiej przepustowości, na którą mogą również wpływać procedury utrwalania chemicznego. Ostatnio metody oparte na znakowaniu zbliżeniowym zostały wykorzystane do wykrywania miejsc kontaktu, a także do identyfikacji nowych białek w miejscu kontaktu. Na przykład test ligacji zbliżeniowej (PLA) został wykorzystany do ilościowego określenia bliskości organelli23,24, podczas gdy poprawiona wersja testu peroksydazy askorbinianu (APEX) została wykorzystana do identyfikacji nowych białek w miejscu kontaktu25,26. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że wszystkie opisane powyżej metody mają mocne strony i wewnętrzne ograniczenia w wykrywaniu kontaktów między organellami. W związku z tym wymagane jest połączenie różnych technik, aby uzyskać dokładną interpretację miejsc kontaktu organelli
.
Poprzednio ustaliliśmy test ponownego składania lucyferazy 8 z podziałem Renilla (test luca split-R) do monitorowania poziomu kontaktów z błoną ER-mitochondriów (Rysunek 1A)24,26,27. Krótko mówiąc, każda podzielona połowa lucyferazy Renilla jest sprzężona z sekwencją ukierunkowaną na ER lub mitochondria. Po transfekowaniu razem każda podzielona połowa enzymu ulega ekspresji w ER lub błonie mitochondrialnej. Kiedy ER i mitochondria znajdują się w bliskiej odległości od siebie, podzielone połówki łączą się i odtwarzają cały enzym z aktywnością lucyferazy. Dla konstrukcji split-Rluc użyliśmy lucyferazy Renilla 8 (Rluc8) w pBAD/Myc-His27 dla początkowego szablonu. Miejsce podziału (między aminokwasami 91 i 92) zostało określone na podstawie poprzednich raportów27. Dla N-końcowej połowy Rluc8, sekwencje DNA dla aminokwasów 1-91 Rluc8 zostały połączone z końcem 3' znacznika FLAG i mysią sekwencją ukierunkowaną na mitochondria AKAP1 w wektorze pcDNA3.1 TOPO przez PCR27. W przypadku C-końcowej połowy ukierunkowanej na ER, sekwencje DNA kodujące aminokwasy 92-311 zostały połączone z końcem 5' znacznika myc i sekwencją lokalizacyjną drożdży UBC6 ER. Tutaj ulepszyliśmy konstrukt plazmidu luc split-Rw taki sposób, że rozszczepione połówki lucyferazy Renilla są wyrażane w pojedynczym wektorze (pCAG) pod tym samym promotorem, a następnie rozszczepiane na dwa fragmenty, gdy T2A, samorozszczepiająca się sekwencja peptydu 2A z wirusa Thosea asigna, jest wprowadzana między dwie podzielone połówki (Figura 1B). Mapa i sekwencje plazmidowego DNA znajdują się w pliku uzupełniającym 1 i rysunku uzupełniającym S1. Korzystając z tego systemu, zmierzyliśmy wpływ trzech substancji chemicznych (hamujących GTPazy biorących udział w polimeryzacji aktyny) na kontakty ER-mitochondria. Ten test luc split-Rjest prostym, ale solidnym systemem testowym do wysokoprzepustowych badań przesiewowych dla modulatorów kontaktowych między organellami24.