Summary

Forberedelse om mitokondriel berigede Brøker for Metabolic Analyse i<em> Drosophila</em

Published: September 30, 2015
doi:

Summary

Mitochondria play central roles in the regulation of metabolism and homeostasis. Subtle changes in mitochondrial metabolism that affect organismal physiology could be difficult to detect in whole organism metabolomics studies. Here we describe an isolation method that enhances the detection of subtle metabolic shifts in Drosophila melanogaster.

Abstract

Since mitochondria play roles in amino acid metabolism, carbohydrate metabolism and fatty acid oxidation, defects in mitochondrial function often compromise the lives of those who suffer from these complex diseases. Detecting mitochondrial metabolic changes is vital to the understanding of mitochondrial disorders and mitochondrial responses to pharmacological agents. Although mitochondrial metabolism is at the core of metabolic regulation, the detection of subtle changes in mitochondrial metabolism may be hindered by the overrepresentation of other cytosolic metabolites obtained using whole organism or whole tissue extractions.

Here we describe an isolation method that detected pronounced mitochondrial metabolic changes in Drosophila that were distinct between whole-fly and mitochondrial enriched preparations. To illustrate the sensitivity of this method, we used a set of Drosophila harboring genetically diverse mitochondrial DNAs (mtDNA) and exposed them to the drug rapamycin. Using this method we showed that rapamycin modifies mitochondrial metabolism in a mitochondrial-genotype-dependent manner. However, these changes are much more distinct in metabolomics studies when metabolites were extracted from mitochondrial enriched fractions. In contrast, whole tissue extracts only detected metabolic changes mediated by the drug rapamycin independently of mtDNAs.

Introduction

Målet med denne procedure er at udvikle berigede mitokondriske fraktioner, der giver nok mitokondrie metabolitter for metabolomik undersøgelser med Drosophila melanogaster. Det er vores erfaring, metabolomics analyse ved hjælp hele cellulære udvindingsmetoder ikke er i stand til at opdage subtile mitokondrie metabolit ændringer i Drosophila. Men mitokondrie fraktionering før metabolomics analyse øger følsomheden for at identificere mitokondrie metabolit skift.

Mitokondrier er cellulære organeller, der er ansvarlige for at levere 90% af den energi, som cellerne har brug for en normal funktion 1. I de senere år er det blevet anerkendt, at mitokondrier spiller en langt mere dynamisk rolle i cellulær og organismal funktion end blot at producere adenosin trifosfat (ATP), og er nu anerkendt som knudepunkter for regulering af metaboliske homeostase 2,3. Mitokondrier er resultatet af en endosymbiotic proces, hvor disdistinkt mikrobielle slægter fusionerede ~ 1,5 milliarder år siden 4. Som mitokondrier udviklet sig til sande organeller, blev generne fra endosymbiont indarbejdet i det spirende nukleare genom. Hos dyr dag, ca. 1.500 mitokondrielle proteiner er nuklear-kodet mens 37 gener forblive i mtDNA, 13 som koder for mitokondrielle proteiner, der er underenheder af de enzymkomplekserne af oxidative fosforylering 5. Koordinering mellem mitokondrier og nukleare rum er nødvendig for at opretholde en ordentlig mitokondriefunktionen.

Hjælp af de metoder, der beskrives her var vi i stand til at opdage mitochondriske metaboliske ændringer i Drosophila, der skyldes manipulation af koordineringen mellem mitochondriale og nukleare genomer. Vi brugte en stamme af Drosophila hvor mtDNA fra sin søster arter D. simulans blev placeret på en enkelt D. melanogaster nukleare baggrund 6. Denne "forstyrret" mitonucleargenotype blev sammenlignet med den "indfødte", eller co-udviklet mitonuclear genotype D. melanogaster bærer samme kernegenomet med dets native D. melanogaster mtDNA. D. melanogaster og D. simulans mtDNAs afviger ~ 100 aminosyrer og> 500 synonyme substitutioner, som påvirker mitonuclear kommunikation 7,8. Vi genererede hele flyve ekstrakter og mitochondriske berigede ekstrakter til at studere metabolit forskydninger som reaktion på farmakologisk stress. Her viser vi, at når du bruger mitochondriske beriget fraktioner vi opdager markante skift i mitokondrie metabolitter mellem indfødte, co-udviklet genotype bærer D. melanogaster mtDNAs og de ​​sprængte genotype bærer D. simulans mtDNA. I modsætning hertil metabolit ændringer mellem disse to genotyper er subtile anvendelse af normale metoder, der udnytter hele flyve ekstrakt. Derfor er denne fremgangsmåde en vej til at forstå, hvordan mtDNAs mægle mitokondrie ændringer ireaktion på forskellige lægemidler.

Protocol

1. Reagenser og løsninger Udarbejdelse af flue mad og medier Heat flyve ingredienser 11% sukker, 2% autolyseret gær, 5,2% majsmel, agar 0,79% vægt / volumen i vand i en varmeplade indstillet til 90 ° C. Rør jævnligt, indtil der opnås en homogen lidt tæt blanding. Forbered et endeligt volumen på 550 ml flue mad til i alt 100 hætteglas med 5 ml flyve mad i hver. Fjern fra varmekilden, omrøres lejlighedsvis indtil fødevarerne køler ned til 80 ° C og tilsæt 0,2% tegosept-methyl-4…

Representative Results

Under anvendelse af protokollen beskrevet ovenfor, udførte vi metabolomisk analyse på mitokondriske berigede fraktioner og hele dyreekstrakter at teste effekten af lægemidlet på forskellige rapamycin mtDNAs 7. Vi leverede 200 uM af rapamycin ved at opløse lægemidlet i fluen fødevarer. Fluer blev udsat for rapamycin i 10 dage. Metabolitter fra hele flyve ekstrakter og fra mitokondrielle ekstrakter blev opnået ved anvendelse af gaskromatografi-massespektrometri (GC …

Discussion

De mest kritiske trin i denne protokol er: 1) opdræt nok fluer i rigelige plads. Det er meget vigtigt ikke overpopulate de demografi bure med mere end 150 fluer hver; 2) ændring af fødevarer af burene ofte for at undgå konkurrence mad og ernæringsmæssig stress; og 3) at bevare alle prøver ved 4 ° C for at sikre integritet under isoleringen af ​​mitochondriefraktionen. Det anbefales også til nedkøling isolation buffer, vaskebufferen, og glas-teflon dounce homogenisator før brug. For at reducere cytosolisk …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by Adelphi University faculty development grant and grant R15GM113156 from NIGMS awarded to EVC, grant R01GM067862 from NIGMS and grant R01AG027849 from NIA awarded to DMR.

Materials

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 liter cage  Web Restaurant Store 999RD32
1 liter 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

References

  1. Scheffler, I. E. . Mitochondria (Scheffler, Mitochondria). , 484 (2007).
  2. Guarente, L. Mitochondria–a nexus for aging, calorie restriction, and sirtuins. Cell. 132 (2), 171-176 (2008).
  3. Raimundo, N. Mitochondrial pathology: stress signals from the energy factory. Trends in molecular medicine. 20 (5), 282-292 (2014).
  4. Embley, T. M., Martin, W. Eukaryotic evolution, changes and challenges. Nature. 440 (7084), 623-630 (2006).
  5. Lane, N., , . Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life. 368, (2006).
  6. Montooth, K. L., Meiklejohn, C. D., Abt, D. N., Rand, D. M. Mitochondrial-nuclear epistasis affects fitness within species but does not contribute to fixed incompatibilities between species of Drosophila. Evolution; international journal of organic evolution. 64 (12), 3364-3379 (2010).
  7. Villa-Cuesta, E., Holmbeck, M. A., Rand, D. M. Rapamycin increases mitochondrial efficiency by mtDNA-dependent reprogramming of mitochondrial metabolism in Drosophila. Journal of cell science. 127 (Pt 10), 2282-2290 (2014).
  8. Zhu, C. -. T., Ingelmo, P., Rand, D. M. G×G×E for Lifespan in Drosophila: Mitochondrial, Nuclear, and Dietary Interactions that Modify Longevity. PLoS genetics. 10 (5), e1004354 (2014).
  9. Madala, N. E., Piater, L. A., Steenkamp, P. A., Dubery, I. A. Multivariate statistical models of metabolomic data reveals different metabolite distribution patterns in isonitrosoacetophenone-elicited Nicotiana tabacum and Sorghum bicolor cells. SpringerPlus. 3, 254 (2014).
  10. Hogeboom, G. H., Schneider, W. C., Pallade, G. E. Cytochemical Studies Of Mammalian Tissues I . Isolation Of Intact Mitochondria From Rat Liver Some Biochemical Properties Of Mitochondria And Submicroscopic Particulate Material. Journal of Biological Chemistry. 172, 619-635 (1948).
  11. Frezza, C., Cipolat, S., Scorrano, L. Organelle isolation: functional mitochondria from mouse liver, muscle and cultured fibroblasts. Nature protocols. 2 (2), 287-295 (2007).
  12. Corcelli, A., Saponetti, M. S., et al. Mitochondria isolated in nearly isotonic KCl buffer: focus on cardiolipin and organelle morphology. Biochimica et biophysica acta. 1798 (3), 681-687 (2010).
  13. Roede, J. R., Park, Y., Li, S., Strobel, F. H., Jones, D. P. Detailed mitochondrial phenotyping by high resolution metabolomics. PloS one. 7 (3), e33020 (2012).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video