Митохондрии-ассоциированные эндоплазматические контакты ретикулума (MERC), которые биохимически изолированы как мембраны ЭР, ассоциированные с митохондриями (MAM), связаны с несколькими нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера (AD)1. Недавно предложенная «гипотеза MAM» предполагает, что MAMs играют центральную роль в формировании амилоидного β (Aβ), тем самым инициируя патогенный каскад AD. Этот каскад включает образование нейрофибриллярных узлов (NFT), кальциевый дисхомеостаз инейровоспаление 2. MAMs состоят из богатых холестерином, липиднообразных микродоменов в эндоплазматическом ретикуле и внешней митохондриальной мембране (OMM), связанных специфическими привязывающими белками, которые способствуют их структурному и функциональномуразнообразию 3. Стабилизация контактов между ЭР-митохондриями влияет на различные клеточные процессы, включая кальциевую сигнализацию ЭР и апоптоз 4,5. Оценивается, что 5%–20% митохондрий формируют физический контакт с отделением неотложной помощи для формированияMAMs 6. Несколько исследований показали, что число, длина и ширина зазора (толщина) между ER и митохондриями на участках MAM являются важными факторами, определяющими их функциональную роль. Криоэлектронная микроскопия и in vivo анализы печени мышей показали, что метаболическое состояние гепатоцитов регулирует как толщину (от 14 нм до 20 нм), так и длину (от 145 нм до 270 нм)MAMs 7.
МАМ также становятся потенциальными терапевтическими целями для различных расстройств, включая рак и метаболические нарушения. Толщина или ширина зазора MAM регулирует выживаемость клеток. Конститутивные стабилизаторы MAM MAM 1X и MAM 9X, разработанные для стабилизации плотных (6 нм ± ширины зазора 1 нм) и рыхлых MAM (ширина зазора 24 нм ± 3 нм) соответственно, показали, что стабилизация плотных MAM значительно увеличивает генерацию Aβ в новой трёхмерной модели нейронной культуры AD. В отличие от этого, стабилизация рыхлых MAMs не имелаэффекта 8. Таким образом, преобразование стабилизации тугих MAM в рыхлые MAM может быть полезно для снижения амилоидной патологии. Структурные и функциональные сложности, а также отсутствие точного количественного анализа степени стабилизации MAM затрудняют таргетирование MAM для открытия лекарств. Новый анализ аксональной скорости митохондрий на основе живых клеток и кимографии показал, что аксональная скорость митохондрий может использоваться как метрика для количественного измерения стабилизации MAM, поскольку более плотный контакт с ER значительно снижает аксональную скорость митохондрий по сравнению со свободными митохондриями 8,9. Используя индуцируемый стабилизатор MAM в клетках Neuro 2A (N2A APP), экспрессирующих hAPP, мы обнаружили, что сокращение ширины разрыва MAM увеличивает генерацию Aβ в зависимости отдозы 8. Индуцируемые стабилизаторы MAM — это плазмиды экспрессии, кодирующие CFP (цианофлуоресцентный белок)-эпитопно-метированный ER-таргетинг и YFP (жёлтый флуоресцентный белок)-эпитопно-меткие биосенсоры, нацеленные на митохондрии, сросшиеся с доменами рапамицина-индуцируемого рапамицина FK506 (FRB) или 12-кДа FK506-связывающим белком (FKBP). Биосенсоры были обозначены как ER-CFP и Mito-YFP соответственно. CFP — это донорский флуорофор, который передаёт энергию акцепторному флуорофору YFP при их разделении >10 нм. Клетки (N2A APP), экспрессирующие индуцируемые биосенсоры, увеличили генерацию Aβ после обработкирапамицином 8, что свидетельствует о увеличении увеличения плотных MAMs увеличения генерации Aβ. Эти методы будут полезны для скрининга маломолекулярных модуляторов MAM и их эффективной концентрации, необходимой для стабилизации оптимального уровня плотных MAM, которые будут превращать патогенные ("Aβ увеличивающийся") в терапевтические ("Aβ понижающие") MAM, не полностью дестабилизируя контакты ER и митохондрии, что важно для выживания клеток.
Экспериментальнаямодель
В этом исследовании использовались клетки Neuro2A(N2A), конститутивно экспрессирующиеAPP 751 (N2A APP). Эти клетки выделяют обнаруживаемые уровни Aβ в условную среду (CM) по сравнению с наивными N2A-клетками. КлеткиN2A APP поддерживались в DMEM с добавлением 10% FBS, 100 U/mL пенициллина, 100 мкг/мл стрептомицина и 2 мМ L-глутамата с добавлением 200 мкг/мл G418, как описано ранее10.
Плазмида экспрессии
Плазмида экспрессии была получена путём слияния митохондриальной таргетирующей последовательности YFP (жёлтый флуоресцентный белок), меченой YFP (жёлтым флуоресцентным белком), меченой ER-таргетной последовательностью фосфатидилинозитол-3-фосфатазы Sac1 фосфатазы Sac1 [Sac1(521-587)] с саморасщепляющейся последовательностью Tav2A, кодирующей пептидную последовательность EGRGSLLTCGDVEENPGP, обозначенную как pYFP-AKAP1-Tav2A-Sac1-CFP 8. Плазмида экспрессии, сращённая с Tav2A, также окружена нуклеотидными последовательностями, кодирующими домен FK506 рапамицина связывающего (FRB) домен [EMWHEGLEEASRLYFGERNVKGMFEVLEPL HAMMERGPQTLKETSFNQAYGRDLMEAQEWCRKYMKSGNV (K 2095P)DLTQAWDLYYHVFRRISKQ] или домен белка FK506-связывающим (FKBP) домен (MGVEKQVIRPGNGPPAPGQTVTVHCTGFGKD GDLSQKFWSTKDEGQKPFSFQIGKGAVIKGWDEGVIGMQ IGEVARLRCSSDYAYGAGGFPAWGIQPNSVLDFEIEVLSVQ). Плазмида термоядерного синтеза FRB-YFP-AKAP1(34-63)-Tav2A-Sac1(521-587)-CFP-FKBP, обозначенная здесь как MAM-Tav2A, была создана для получения эквимолярных уровней экспрессии FRB-YFP-AKAP1(34-63) и Sac1(521-587)-CFP-FKBP для рационометрического анализа FRET. Sac1(521-587)-CFP-FKBP, обозначаемый как ER-CFP, является донорским фтором, тогда как Mito-YFP-FRB, обозначаемый как Mito-YFP, является акцепторным флуорофором, который генерирует FRET при разделении на ~10нм 8. Таким образом, биосенсоры на базе FRET обнаруживают узкие MAM (6-10 нм, ширина зазора). FRB и FKBP были введены для индуцирования сокращения ширины зазоров MAM при добавлении рапамицина в зависимости от дозы, что можно было количественно измерить, измеряя увеличенный сигналFRET 8.