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Developmental Biology

在代谢分析准备线粒体富集级的 Published: September 30, 2015 doi: 10.3791/53149

Introduction

此过程的目标是开发能产生足够的线粒体代谢物用于使用果蝇代谢组学研究富集线粒体级分。根据我们的经验,采用全细胞提取方法代谢组学分析是无法检测果蝇微妙的线粒体代谢物的变化。然而,线粒体分馏之前代谢分析增加了灵敏度,以确定线粒体代谢物变化。

线粒体是负责提供90%的细胞所需的正常功能1的能量的细胞器。在最近几年,已经认识到,线粒体在细胞和生物体功能的更加动态的作用不仅仅是产生三磷酸腺苷(ATP)和现在被确认为枢纽的代谢平衡2,3的调节。线粒体是一种共生的过程中,存款保险计划的结果tinct微生物系1.5十亿年前4合并〜。由于线粒体演变成真正的细胞器,基因的共生细菌在新兴的核基因组被合并。在动物今天,约1500线粒体蛋白是核编码的,而37个基因保留在线粒体DNA,其中13个编码线粒体蛋白质,是氧化磷酸化5的酶复合物的亚基。线粒体和核车厢之间的协调是必要的,以保持适当的线粒体功能。

使用此处描述的方法,我们能够探测果蝇线粒体代谢变化所造成的操纵线粒体和核基因组之间的协调。我们用果蝇的菌株,其中线粒体DNA,从它的姊妹品种D. simulans置于单个D.果蝇核背景6。这种“破坏”mitonuclear基因型相比D的 “天然”或共同进化mitonuclear基因型果蝇携带着其原生相同的核基因组果蝇线粒体DNA。该D.果蝇D. simulans线粒体DNA相差〜100个氨基酸和影响mitonuclear通信7,8> 500同义替换。我们生成的整个飞行提取物和线粒体富集提取物,研究代谢物的变化响应的药理压力。在这里,我们表明,使用线粒体富集的级分,当我们检测在本机,共同进化基因型携带D之间线粒体代谢物显着的变化果蝇线粒体DNA和破坏携带型D. simulans线粒体DNA。与此相反,这两种基因型之间的代谢变化是细微的使用,利用全动态提取正常的方法。因此,这种方法提供了一种路径理解线粒体DNA如何介导线粒体的变化响应于不同的药物。

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Protocol

1.试剂及解决方案

  1. 对飞食品和媒体准备
    1. 热蝇成分11%的糖,2%自溶酵母,5.2%玉米粉,琼脂0.79%w / v的水在加热板设定为90℃。经常搅拌,直到得到均匀稍密混合物。准备的550毫升飞食品的终体积为总共100小瓶用5mL飞食品中的每个。
    2. 从加热源中删除,偶尔搅拌直到食物冷却到80℃并加入0.2%tegosept-4-羟基苯甲酸甲酯溶解在95%的乙醇。
    3. 在两个相等的体积分割的食物。添加1.1的50mM的雷帕霉素溶解在乙醇中以一个卷毫升和1.1毫升乙醇的其他体积。搅拌雷帕霉素和乙醇溶液进入食品。可以肯定的温度加入药物前降低至50℃。
  2. 隔离缓冲
    1. 制成500毫升之分离缓冲液[225 mM的甘露醇,75mM的蔗糖,10毫3-(N- <的/ em>的吗啉代)丙磺酸(MOPS)和1mM乙二胺四乙酸(EDTA),2.5毫克/毫升牛血清白蛋白(BSA)]中的水。
    2. 用氢氧化钠将pH调节至7.2。初始pH将是酸性的。
    3. 用无菌过滤器存储瓶用0.22μm孔径消毒溶液并储存在4℃。
  3. 洗涤液
    1. 制成500毫升之洗涤缓冲液[225 mM的甘露醇,75mM的蔗糖,10毫米氯化钾,10毫摩尔Tris HCl和5mM的KH 2 PO 4]水。
    2. 用氢氧化钠将pH调节至7.2。初始pH将是酸性的。
    3. 用无菌过滤器存储瓶用0.22μm孔径消毒溶液并储存在4℃。

2.饲养果蝇品系

  1. 在开发过程中控制幼虫密度,放置在一个培养瓶25对的父母,让他们产卵48小时。
  2. <LI> 48小时后取出的父母来调节蛋密度。
  3. 利用新兴的F1后代重复步骤2.1和2.2,因此两代这个浓度控制的实现。
  4. 为了收集大人,麻醉使用二氧化碳(CO 2)和独立的性别苍蝇。
    1. 使用单级调节器提供纯净的二氧化碳从高压力罐在5磅的连续流。防止静电,使用塑料管以催化二氧化碳到500ml过滤烧瓶中的水。
    2. 用橡胶塞与一个孔以密封烧瓶。使用塑料管向烧瓶的侧孔连接到 CO 2垫。
    3. 将苍蝇在垫为不超过10-15分钟以上。允许从麻醉放置在实验条件下才恢复24小时。
  5. 为了产生足够的代谢产物线粒体丰富分数,使用300苍蝇每个样品。在这里,用女性,但gendeR可以不同的其它实验。转移150苍蝇自制1L的人口笼。允许访问5毫升飞食品在小瓶中。
  6. 转移剩余的150苍蝇另一1升笼子。不要overpopulate笼150多个苍蝇。
  7. 使用每个实验条件下六个复制样本。由于整个动物提取物产生更多的代谢产物,产生整个动物的1个样本分离,转移50名女飞行一个笼子里。作为线粒体分离物,使用每个实验条件6重复样品。
  8. 地方笼在25℃为12小时光照和12小时黑暗周期。
  9. 提供新鲜食物,每2或3天在小瓶中,用5ml的食物,以保持食品质量。
  10. 保持苍蝇在食物10天。这个步骤是需要的雷帕霉素治疗7。其他治疗方法或条件会有所不同。

3.隔离线粒体馏分

  1. 转储飞从一个笼子(150苍蝇)成玻璃 - 聚四氟乙烯Dounce匀浆装入1ml冷冻隔离缓冲液中。
  2. 通过移动杵上下15招均质。置于冰上砂浆,以保持线粒体完好无损。
  3. 转移匀浆1.5ml试管并离心,在300×g离心5分钟,在4℃。
  4. 取上清和离心6000 xg离心10分钟,在4℃下以富集线粒体。
  5. 作为上清含有细胞质部分,丢弃上清液或将其用于替代实验。重悬在300微升的洗涤缓冲液的沉淀。
  6. 重复步骤3.1 - 3.5第二个笼子。结合这两个笼子里的悬浮颗粒在低温离心管中。
  7. 离心机在6000×g离心在4℃下10分钟。
  8. 弃上清,闪冻在液氮中沉淀。
  9. 存储线粒体富集的馏分在-80℃或更低的温度。
    1. 或者,对于整个动物预paration,将成年人在低温离心管中。闪光冻结液氮和存储成年人小瓶在-80℃或更低的温度。

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Representative Results

使用的协议如上所述,我们进行了对线粒体富集级分和整个动物提取物的代谢组分析测试药物雷帕霉素对发散线粒体DNA 7的效果。我们通过在飞食品溶解药物递送200微米的雷帕霉素。蝇暴露于雷帕霉素10天。从整体蝇提取物和从线粒体提取物代谢物通过采用气相色谱质谱(GC / MS)和液相色谱 - 串联质谱(LC / MS / MS),使用标准的溶剂萃取方法获得。

图1显示了膜转运蛋白孔蛋白线粒体富集在线粒体级分指示器的富集。孔蛋白是检测不到的胞质部分。相反,在线粒体级分,苏没有检测到微管蛋白ggesting胞质蛋白的小的污染。从“本地”D。 图2和图3示出主要部件的完整代谢物轮廓分析(PCA) 果蝇(ORER)和苍蝇D.窝藏线粒体DNA的'破坏'应变simulans核DNA 果蝇应变ORER(SM21)。两种菌株暴露于药物雷帕霉素。数据被呈现为双情节主成分的轴1和2来可视化处理和线粒体DNA 7,9的效果。使用标准的整个飞行提取物中获得的代谢产物示于图2A中。图2B示出了类似的曲线图的PCA在线粒体富集提取物的代谢物。对于整个蝇提取物图2A),雷帕霉素治疗进行筛选样本以PC2的显著较低值。然而,由于线粒体DNA创变化的代谢产物otype是微妙的,因为暴露于雷帕霉素或控制车辆ORERSM21线粒体DNA是紧密相邻的或重叠的PCA空间。然而,使用富集的线粒体提取物时,线粒体DNA显示对线粒体代谢物轮廓分明的雷帕霉素的效果。特别是,雷帕霉素对ORER菌株的代谢物轮廓,通过沿PC1轴线的位移显示出强大的影响。但是,在“中断”SM21线粒体DNA基因型,对于控制食品的条件代谢物图谱是从天然ORER应变的移位(红色和黑色的多边形,分别图2B中)。其结果是,雷帕霉素治疗具有明显较少的对代谢物的景观中被破坏的线粒体DNA基因型,SM21移位(比较红和蓝的多边形图2B中)的效果。

图3示出的PCA p许多参与能量稳态代谢物(所有代谢的子集,限于辅因子,维生素和三羧酸循环中间体),常位于线粒体内。这里再一次,从富集的线粒体级分的代谢物转移显示出比那些从整个动物提取物不同的行为。

这些结果说明通过线粒体富集提取物和整个动物提取物中获得的信息如何代谢不同,但相互补充,与线粒体富集提取物是在线粒体代谢偏移更敏感。

图1
图1:Western blot分析显示线粒体在线粒体分数有效分离。使用的抗体反对孔蛋白(一种线粒体外膜蛋白)和微管蛋白(胞浆蛋白)。蛋白质丰度的线粒体和细胞质级分用二辛可宁酸(BCA)测定法进行定量。总蛋白的30微克加载在每个泳道。两个独立的提取进行。

图2
采用整个动物的样品与对苍蝇携带ORER线粒体富集提取物和SM21线粒体单倍型获得代谢物如图2主成分分析(PCA)。的整个动物样品中鉴定的代谢物210(A)中的PCA。 (B)PCA对线粒体提取物检测到230代谢产物。周围点的面,目的是帮助六个复制样本的可视化对于每个治疗。K“>点击此处查看该图的放大版本。

图3
参与能量平衡的苍蝇携带ORERSM21线粒体单倍型的代谢产物图3.主成分分析。从整个飞提取物12的能量代谢和线粒体提取物13的能量代谢产物(A)PCA。 (二)围绕点的面,目的是帮助六个复制样本,每个处理的可视化。 请点击此处查看该图的放大版本。

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Discussion

在这个协议中最关键的步骤是:1)足够的饲养苍蝇充裕的空间。这是非常重要的不overpopulate的人口笼150多个苍蝇每一个; 2)改变笼经常避免食物竞争和营养应激的食物;和3)保持所有样品在4℃的线粒体级分的分离过程中,以确保完整性。此外,还建议以冷却该隔离缓冲器,洗涤缓冲液,并在使用前的玻璃 - 聚四氟乙烯Dounce匀浆。为了减少富集线粒体派别胞浆污染,从步骤3.5线粒体颗粒可以用洗涤缓冲液。

从丰富的线粒体部分代谢产物的提取,需要大量的重复样品(6次重复/实验条件下)的。总共,24网箱用于图1和2。所以我们建议所有S的提取amples当天以降低实验的可变性。虽然可行,此协议限嗣继承精心的策划和准备所需的时间提前材料。标注时间提前管,并设计一个计划,以确保样本间的等待时间的一致性是需要保存样品的质量和重复的减少变化。

通常用于提取线粒体缓冲器含有糖10,11;因此,特别是糖代谢物的分析可能受的提取方法。虽然我们还没有使用他们在我们的分析,氯化钾提取缓冲区可替代线粒体隔离缓冲区含有糖12。

由于代谢网络的稳态性质和其介导此反应的蜂窝信号一个复杂的系统,改变线粒体代谢可以通过在全细胞代谢物池​​移位进行检测。在和线粒体的情况下这种系统的里亚尔调节,细微的代谢物的变化可能受到阻碍,除非足够的代谢物从线粒体丰富分数提取。在模型系统中大量的线粒体可以从组织中分离,分辨率高代谢成功地探测到的变化线粒体表型13。然而,在果蝇 ,窝藏足够质量的代谢物的样品的良好组合物可以是一个挑战。使用这个协议中,我们获得了高数量,质量和品种的代谢产物,证明不同的提取协议显示不同的代谢物的变化对整个飞与线粒体分数。虽然线粒体和细胞质蛋白的Western印迹表明蛋白质的小污染在两个级分,确认线粒体代谢物,附加步骤详细定量测量,以限制胞质代谢物的污染,在线粒体级分可能是申请IED。冷冻样品和这些代谢物的那些的冷冻/融化步骤后获得的比较之前代谢物的测量可以提供线粒体特定代谢物的一个更准确的定量。然而,在该模型,其中我们操纵线粒体基因组时,程序我们已用来制备样品是特别的信息和可能指向代谢重编程的通过线粒体介导的新颖途径。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.2% tegosept-methyl 4-hydroxybenzoate VWR AAA14289
Ethanol Sigma-Aldrich 792799
Mannitol Sigma-Aldrich M4125
Sucrose Sigma-Aldrich S9378
3-(N-morpholino) propanesulfonic acid (MOPS) Sigma-Aldrich M1254 
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) Sigma-Aldrich 38057 
Bovine serum albumin (BSA) Sigma-Aldrich 5470
KCl Sigma-Aldrich P9333
Tris HCl Sigma-Aldrich RES3098T-B7
KH2PO4 Sigma-Aldrich 1551139
CO2 pads to anesthetize flies Tritech Research MINJ-DROS-FP
1 L cage Web Restaurant Store 999RD32
1 L cage lid Web Restaurant Store 999LRD
a glass-teflon dounce homogenizer  Fisher Scientific NC9661231
Sodium hydroxide Sigma-Aldrich S8045
rapamycin  LC Laboratories  R-5000
anti-porin MitoSciences MSA03
anti-alpha tubulin Developmental Studies Hybridoma Bank 12G10
Pierce BCA Protein Assay Kit  Thermo Scientific  23225
CO2 pad Tritech Research, Inc MINJ-DROS-FP
filter flask enasco SB08184M
rubber stopper enasco S08512M

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References

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发育生物学,第103,线粒体分离,代谢组学,
在代谢分析准备线粒体富集级的<em&gt;果蝇</em
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Cite this Article

Villa-Cuesta, E., Rand, D. M.More

Villa-Cuesta, E., Rand, D. M. Preparation of Mitochondrial Enriched Fractions for Metabolic Analysis in Drosophila. J. Vis. Exp. (103), e53149, doi:10.3791/53149 (2015).

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