Artykuł ten opisuje wykorzystanie mikroskopii konfokalnej oraz ImageJ do oceny dynamiki rozszczepienia i fuzji mitochondriów za pomocą fluorescencji przełączającej się foto Dendra2.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Artykuł ten opisuje wykorzystanie mikroskopii konfokalnej oraz ImageJ do oceny dynamiki rozszczepienia i fuzji mitochondriów za pomocą fluorescencji przełączającej się foto Dendra2.
Mitochondria są najbardziej znane ze swojej roli w syntezie ATP i stanowią kluczowe regulatory metabolizmu komórkowego. Dynamika mitochondriów obejmuje ruch wewnątrzkomórkowy i międzykomórkowy mitochondriów, a także procesy rozszczepienia i fuzji. Te zdarzenia są kluczowe dla utrzymania funkcji mitochondriów poprzez utrzymanie homeostazy komórkowej, morfologii, bioenergetyki, kontroli jakości oraz reakcji na stres. Z kolei dysregulacja dynamiki mitochondriów wpływa na morfologię i funkcjonowanie komórek. Precyzyjne pomiary zdarzeń rozszczepienia i fuzji mitochondriów mogą świadczyć o zdrowiu komórkowym. Obecne metody pomiaru dynamiki mitochondriów wykorzystują zaawansowane obrazowanie, takie jak mikroskopia superrozdzielczości, techniki fluorescencji (Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)) do łączności oraz narzędzia optogenetyczne do kontroli przestrzenno-czasowej. Analiza ilościowa wykorzystuje narzędzia obliczeniowe do pomiaru parametrów takich jak długość, liczba i rozgałęzienie, które wskazują na równowagę rozszczepienia i fuzji. Jednak te metody wymagają umiejętności i zaawansowanych instrumentów. W tym artykule opisujemy zastosowanie mikroskopii konfokalnej w połączeniu z darmowymi narzędziami w ImageJ (Fidżi) do badania zdarzeń rozszczepienia i fuzji z wykorzystaniem właściwości przełączania zdjęć białka dendra2, oznaczonego jako cytochrom mitochondrialny c.
Mitochondria to dynamiczny organelle odgrywający kluczową rolę w produkcji energii, śmierci komórek oraz transdukcji sygnału1. Morfologia mitochondriów odnosi się do wielkości i kształtu przedziałów mitochondrialnych, które są bardzo wrażliwe na warunki wewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe oraz są kluczowe dla utrzymania zdrowia komórkowego2. Morfologia mitochondriów może dostarczyć kluczowych informacji na temat ich funkcji, jednak zmiany w kształcie mitochondriów mogą wpływać na metabolizm komórkowy i ogólny stan zdrowia3. Zaburzenia morfologii mitochondriów wiążą się z kilkoma chorobami, w tym zaburzeniami neurodegeneracyjnymi, nowotworami i chorobami metabolicznymi4. Morfologia mitochondriów jest dynamicznie regulowana przez zdarzenia fuzji i rozszczepienia/fuzji, które są kluczowe dla utrzymania homeostazy komórkowej i reagowania na różne potrzeby metaboliczne 5,6.
Dynamika mitochondrialna pomaga organellom reagować na różne stresory i potrzeby metaboliczne7. Polega na ciągłym rozszczepieniu/fuzji oraz przemieszczaniu mitochondriów wewnątrz komórek lub między nimi. Mitochondria adaptują się do potrzeb energetycznych komórek poprzez zmiany morfologii w wyniku zdarzeń rozszczepienia i fuzji8. Procesy te określają kształt mitochondriów i wpływają na funkcje mitochondriów, takie jak produkcja energii wydzielanej, produkcja reaktywnych rodzajów tlenu (ROS) oraz kontrola jakości mitochondriów 7,9,10. Ponadto rozszczepienie/fuzja mitochondrialna to mechanizmy równoważące utrzymujące funkcjonalną sieć mitochondrialną11. Fuzja umożliwia wymianę zawartości mitochondrialnej, sprzyjając komplementarności i buforowaniu przed lokalnymi uszkodzeniami, natomiast rozszczepienie umożliwia segregację i usuwanie uszkodzonych mitochondriów za pomocą mitofagii 7,12. Ponadto rozszczepienie pomaga segregować uszkodzone elementy mitochondriów, które następnie są usuwane przez mitofagię, selektywny proces autofagii13. Fuzja natomiast pozwala na komplementarzację zawartości mitochondrialnej, rozcieńczając uszkodzone składniki14. Kluczowymi uczestnikami w rozszczepieniu/fuzji mitochondrialnej są mitofuzyny (MFN1/2), niezbędne do fuzji błony mitochondrialnejzewnętrznej 15,16 (OPA1): ta dynamynopodobna GTPaza odpowiada za fuzję błony mitochondrialnej16. Białka rozszczepienia obejmują białko związane z dynaminą 1 (Drp1), białko pro-rozszczepienie13,17. Białko rozszczepienia mitochondrialnego 1 (Fis1), czynnik rozszczepienia mitochondrialnego (Mff) oraz regulator rozszczepienia mitochondrialnego 1 (MTFR1L). Do badania ultrastruktury mitochondrialnej18 zastosowano kilka technik, takich jak superrozdzielczość EM. Do wizualizacji pojedynczych mitochondrialnych mRNA i powiązanych białek (smFISH) połączona z mikroskopią STED i MINFLUX superrozdzielczością (nanoskopia) zostały wykorzystane do wizualizacji pojedynczego mitochondrialnego mRNA i powiązanych białek18. Techniki mikroskopii lokalizacji pojedyncząsteczki (SMLM) śledzą zmiany w rozstawie błon19. Mikroskopia stochastyczna optyczna rekonstrukcyjna (STORM) umożliwia badanie wewnętrznych kompleksów błon mitochondrialnych20. Jednak korzystanie z tego zaawansowanego sprzętu nie jest łatwo dostępne. Mikroskopia konfokalna jest dostępna i wymaga mniej doświadczenia. Ponadto rozwój białek fluorescencyjnych ukierunkowanych na mitochondria znacząco przyspieszył badania dynamiki mitochondrialnej w żywych komórkach21, ponieważ używamy fotoaktywowalnego zielonego białka fluorescencyjnego (GFP) do wizualizacji i ilościowej identyfikacji fuzji mitochondrialnej22.
Aby badać rozszczepienie i fuzję mitochondriów, komórki są poddawane stresowi lub narażonym na działanie leków takich jak cisplatyna, które wiążą się z DNA i powodują uszkodzenia DNA, co kończy się apoptozą wywołaną przez mitochondria23. W tym badaniu wykorzystaliśmy mitochondria Dendra2 z fotoaktywowalnymi i oznakowanymi mitochondriami z fotoaktywowalnych myszy do badania rozszczepienia i fuzji w komórkach rurkowodów nerek objętych cisplatiną, ponieważ są one bogate w mitochondria i mają wysoką zdolność regeneracji. Jednak protokół ten może być stosowany w dowolnym typie komórek, które mają mitochondria Dendra2 oznaczone fotoprzełączalnie (Rysunek 1A-C).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Cała praca ze zwierzętami była wykonywana zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Uniwersytetu Temple, Temple University (Protokół Zwierzęcy-5183). Myszy Pham, które mają mitochondria ekspresujące białko Dendra2, zostały zakupione.
1. Przygotowanie pożywki hodowli komórkowej
2. Indukcja stresu przy użyciu cisplatyny
3. Obrazowanie
4. Analiza obrazu
UWAGA: Ponieważ mitochondria są oznaczone białkiem Dendra2, podczas fotobielenia nieodwracalna zmiana konformacyjna w białku dendra2 prowadzi do wzrostu czerwonej fluorescencji wykrywanej przez laser 561 nm. Gdy czerwone mitochondria łączą się z niewybielonymi zielonymi mitochondriami, połączenie nadaje żółty kolor. Wykorzystując to zjawisko, można zmierzyć dynamiczne zdarzenia rozszczepienia i fuzji.
5. Analizuj zdarzenia fuzji
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pierwotne komórki nabłonkowe rurkowate zostały wyizolowane z nerki myszy przez trawienie enzymatyczne i hodowane w DMF-12 z dodatkiem 5% FBS oraz 1% penicylin-streptomycyny w temperaturze 37 °C i 5%CO2. Po osiągnięciu 80% konfluencji komórki były trypsynizowane (0,25% trypsyna-EDTA) i zasiewane z gęstością 5 × 104 komórek na dołek do szklanych płytek hodowlanych, wstępnie pokrytych kolagenem.
Pożywka hodowla zawierała cisplatynę w końcowym stężeniu μM w DMF-12, uzupełnion...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rozszczepienie/fuzja mitochondriów to kluczowe, dynamiczne procesy utrzymujące homeostazę mitochondrialną i żywotność komórek26. Właściwa ocena tych procesów wymaga zaawansowanych technik obrazowania do wizualizacji i ilościowego określenia morfologii, dynamiki oraz funkcji mitochondriów27,28. Do pomiaru rozszczepienia i fuzji mitochondriów stosowano różne techniki. Do zaawansowanych narzędzi należą nanoskopia Stymulowanego Emisyjnego Uszc...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują, że nie mają nic do ujawnienia.
Prace te były wspierane grantami badawczymi z grantu National Institute of Health numer 5R01DK135470-03, grantem ISAC-NIH 5U24DK128851-03 oraz stypendium podoktorskim American Heart Association.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| hodowla komórek | |||
| DMEM/F12 | Podstawa podłoża | (Gibco/Cat. Nr 11320033 ) | Hodowla komórek rurkowatych w bliskim proksym; |
| Serum bydlęce płodu (FBS) | 5-10% suplementacji | (Biowest/Cat. Nr S181B) | Wzbogacanie medium kulturowego |
| Penicylina-Streptomycyna | 100X | (Gibco/Cat. Nr 15140122) | Ochrona antybiotykowa |
| Kolagen IV i bezpłodny; | powłoka | (Sigma-C5533-5M) i cnot; | Powłoka płytowa Ibidi |
| Trypsin-EDTA | 0,25% roztworu | (Gibco/Cat. Nr 25200056) | Odłączenie komórek |
| Fosforanowa sól fizjologiczna (PBS) | (Gibco/Cat. Nr 10010023 ) | Mycie komórek | |
| Treatments | |||
| Cisplatin | 2 & mikro; M koncentracja robocza | (Selleck Chemicals/Cat. Nr S1166) | Indukcja naprężeń |
| Dimetylsulfotlenek (DMSO) | kontrola pojazdów | (Fisher Scientific/Cat. Nr D1391) | Kontrola rozpuszczalnika cisplatyny |
| Imaging | |||
| Medium bez fenolu czerwonego (Phenol Red-Free ); | obrazowanie na żywo | (Gibco/Cat. nr 21041025) | Zmniejszona fluorescencja tła |
| Biologia molekularna | |||
| TRIzol® | Ekstrakcja RNA | (Gibco/Cat. nr 15596018) | Całkowita izolacja RNA |
| SYBR Green Master Mix | qPCR chemia | (Termo Naukowe/Cat. Nr K0221) | Ekspresja genów dynamiki mitochondrialnej (DNM1L, FIS1, MFN1, MFN2, OPA1) |
| Narzędzia fluorescencyjne | |||
| Dendra2 | Tag matrycy mitochondrialnej | Laboratorium Jacsona (PhAMwycięte) | Fotoprzełączalny reporter (konwersja 405nm, obrazowanie 488/561nm) |
| Microscopes | |||
| Mikroskop konfokalny | Leica DMi8 | obrazowanie żywymi komórkami oraz FRAP | Lasery 405nm/488nm/561nm |
| Obraz J | https://imagej.net/software/fiji/downloads | ||
| Wtyczka RGB Profiler & nbsp; | https://imagej.net/ij/plugins/rgb-profiler.html. | Analiza zdarzeń fuzji (nakładanie się czerwonych i zielonych sygnałów) |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.