Слияние митохондрий играет важную роль в поддержании гомеостаза кальция в митохондриях, биоэнергетике, аутофагии и контроле качества. Слияние в живых клетках количественно оценивают путем фотоконверсии фотоактивируемого GFP, нацеленного на матрикс (mtPAGFP), в определенной группе митохондрий. Скорость, с которой фотоконвертированные молекулы распределяются по всей популяции митохондрий, используется в качестве показателя активности слияния. До настоящего времени измерения проводились методом таймлапс-съемки одной клетки, при котором количественно оценивалось выравнивание сигнала в одной клетке в течение часа. В данной работе мы масштабируем и автоматизируем ранее опубликованный метод исследования живых клеток, основанный на использовании mtPAGFP и низкой концентрации TMRE (15 nm). Этот метод включает фотоактивацию небольшой части митохондриальной сети, сбор серий снимков с высоким разрешением с помощью конфокальной микроскопии каждые 15 min в течение 1 часа и количественную оценку изменения интенсивности сигнала. В зависимости от нескольких факторов, таких как легкость поиска клеток, экспрессирующих PAGFP, и сигнал фотоактивированных областей, за 15-минутные интервалы можно успеть исследовать около 10 клеток. Это обеспечивает значительное повышение временной эффективности данного анализа при сохранении высокого разрешения субклеточного количественного анализа, а также кинетических параметров, необходимых для детального изучения поведения митохондрий в их естественной цитоархитектурной среде.
Динамика митохондрий играет важную роль во многих клеточных процессах, включая дыхание, регуляцию уровня кальция и апоптоз1,2,3,13. Структура митохондриальной сети влияет на функцию митохондрий и способ их взаимодействия с остальными частями клетки. В результате постоянного деления и слияния митохондриальные сети принимают различные формы: от высокослитых сетей до более фрагментированных. Примечательно, что болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Шарко-Мари-Тута 2А и доминантная атрофия зрительного нерва коррелируют с изменениями морфологии митохондрий, а именно с фрагментацией сетей4,10,13. Зачастую при фрагментации митохондрии деполяризуются, и при их накоплении это приводит к нарушению функций клетки18. Было показано, что деление митохондрий служит сигналом для клетки к переходу к апоптозу. Оно также может служить механизмом отделения деполяризованных и неактивных митохондрий для поддержания жизнеспособности основной части сети14. Слияние митохондрий, напротив, ведет к обмену матриксными белками, растворенными веществами, mtDNA и электрохимическим градиентом, а также, по-видимому, препятствует развитию апоптоза9. То, как деление и слияние митохондрий влияют на клеточный гомеостаз и, в конечном счете, на функционирование организма, требует дальнейшего изучения, в связи с чем необходима постоянная разработка и оптимизация методов получения информации об этих явлениях.
Существующие методы анализа слияния митохондрий позволили получить различные сведения о физиологии митохондрий, при этом каждый из них обладает своими преимуществами. Гибридный метод анализа слияния с использованием ПЭГ7 предполагает смешивание двух популяций клеток с разными метками (mtRFP и mtYFP) и анализ степени смешивания и колокализации флуорофоров в слившихся многоядерных клетках. Хотя этот метод предоставил ценную информацию, не все типы клеток способны к слиянию, а условия, при которых стимулируется слияние, предполагают использование токсических препаратов, которые, вероятно, влияют на нормальный процесс слияния. В последнее время была разработана бесклеточная методика с использованием изолированных митохондрий для наблюдения за актами слияния на основе люциферазного анализа1,5. В две линии клеток человека вводят либо амино- или карбокситерминальную часть люциферазы Renilla вместе с лейциновой молнией для обеспечения димеризации при смешивании. Митохондрии изолируют из каждой клеточной линии и подвергают слиянию. Реакция слияния может происходить без цитозоля в физиологических условиях при наличии энергии, подходящей температуры и потенциала внутренней мембраны митохондрий. Интересно, что было обнаружено, что цитозоль модулирует степень слияния, что доказывает регуляцию процесса слияния клеточной сигнализацией 4,5. Этот анализ будет очень полезен для высокопроизводительного скрининга с целью идентификации компонентов аппарата слияния, а также фармакологических соединений, которые могут влиять на динамику митохондрий. Однако для дополнения этого анализа in vitro потребуются более детальные анализы митохондрий в целых клетках, чтобы наблюдать за этими событиями в клеточной среде.
Метод мониторинга динамики митохондрий в целых клетках используется уже некоторое время и основан на применении фотоактивируемого GFP, направленного в митохондрии (mtPAGFP)6,11. После экспрессии mtPAGFP фотоактивируется небольшая часть митохондриальной сети (10–20%), и распространение сигнала на остальную часть сети регистрируется каждые 15 минут в течение 1 часа с помощью конфокального тайм-лапс imaging. Каждое событие слияния приводит к снижению интенсивности сигнала, что позволяет количественно оценить скорость слияния. Хотя слияние и деление непрерывно происходят в клетках, данный метод отслеживает только слияние, так как деление не приводит к разбавлению сигнала PAGFP6. Совместное мечение низкими концентрациями TMRE (7–15 nM в клетках INS1) позволяет количественно оценить мембранный потенциал митохондрий. Гиперполяризованные митохондрии поглощают больше TMRE, а при деполяризации они теряют краситель TMRE. Митохондрии, которые деполяризуются, больше не обладают достаточным мембранным потенциалом и, как правило, сливаются менее эффективно или не сливаются вовсе. Таким образом, активные сливающиеся митохондрии можно отслеживать при таких низких уровнях TMRE9,15. Накопление деполяризованных митохондрий, лишенных сигнала TMRE, может быть признаком фототоксичности или гибели клеток. Более высокие концентрации TMRE делают митохондрии очень чувствительными к лазерному излучению, поэтому следует проявлять осторожность, чтобы избежать избыточного мечения TMRE. Если предметом исследования является эффект деполяризации митохондрий, можно использовать метод с несколько более высокими уровнями TMRE и более интенсивным лазерным излучением для контролируемой деполяризации митохондрий (Mitra and Lippincott-Schwartz, 2010). Чтобы убедиться в отсутствии токсичности, вызванной TMRE, мы рекомендуем подвергнуть нагруженные клетки (3–15 nM TMRE) параметрам визуализации, которые будут использоваться в анализе (например, 7 стеков по 6 оптических срезов подряд), и оценить состояние клеток через 2 часа. Если митохондрии кажутся слишком фрагментированными, а клетки погибают, вместо TMRE можно использовать другие митохондриальные маркеры, такие как dsRED или Mitotracker red.
Метод mtPAGFP позволил выявить такие особенности поведения митохондриальной сети, которые не удавалось визуализировать с помощью других методов. Например, теперь известно, что слияние митохондрий может быть полным или транзиторным, при котором содержимое матрикса может перемешиваться без изменения общей морфологии сети. Кроме того, известно, что вероятность слияния не зависит от продолжительности контакта и размеров органелл, но зависит от их подвижности, мембранного потенциала и истории предшествующей активности слияния8,15,16,17.
В данной работе мы описываем методику масштабирования ранее опубликованного протокола с использованием mtPAGFP и 15nM TMRE8 для одновременного исследования нескольких клеток и повышения эффективности сбора данных без потери субклеточного разрешения. Это стало возможным благодаря использованию автоматизированного предметного столика микроскопа и программного обеспечения для программируемого захвата изображений. Программное обеспечение Zen от Zeiss позволяет пользователю маркировать и отслеживать несколько выбранных клеток, экспрессирующих mtPAGFP. Каждая из этих клеток может быть фотоактивирована в определенной области интереса, а стеки конфокальных срезов могут контролироваться на наличие сигнала mtPAGFP, а также TMRE через заданные интервалы времени. Для выполнения данного протокола можно использовать и другие конфокальные системы при наличии программируемого автоматического столика, инкубатора с CO2 и средства фотоактивации PAGFP: либо многофотонного лазера, либо диодного лазера с длиной волны 405 nm.