RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
tr_TR
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Burada, zaman içinde mitokondriyal fisyon ve füzyon aktivitesindeki 3 boyutlu değişikliklerin nicelleştirilmesinde yararlı olan bir ImageJ eklentisi olan mitokondriyal olay yerelleştiricisini (MEL) açıklıyoruz. Ayrıca, ImageJ'de analizden önce mikrografların temizlenmesi için yararlı olan bir görüntü işleme hattını da açıklıyoruz.
Mitokondri, herhangi bir hayvanın hayatta kalması için hayati önem taşıyan, konakçının ihtiyaçlarına veya streslerine yanıt olarak düzenli fisyon ve füzyon olaylarına maruz kalan ve mitokondriyal ağın sürekli olarak yeniden şekillenmesine yol açan oldukça dinamik organellerdir. Bu nedenle, mitokondriyal ağı üç boyutta ve zaman içinde değerlendirebilmek, sistemin stres veya farmasötik müdahale gibi faktörlere nasıl tepki verdiğini anlamada bir fayda sağlar. Hücrelerin mitokondriyal ağlarının floresan görüntülemesi, bu değişiklikleri görselleştirme ve izleme yeteneğini sağlar. Bununla birlikte, mitokondriyal ağ genellikle standartlaştırılmamış metriklerle tanımlanan iki boyutlu ve statik bir yapı olarak tanımlanır. Bu nedenle, kullanıcının görüntülerini mitokondriyal ağdaki fisyon ve füzyon olaylarını zaman içinde ve 3 boyutlu bir şekilde algılayan bir ImageJ eklenti aracı olan mitokondriyal olay yerelleştiricisi (MEL) için hazırlamasını sağlayan bir boru hattını tanımlamak için yola çıktık, böylece bu ağın geçirdiği dinamik değişiklikler hakkında fikir veriyor. Ek olarak, mitokondriyal sayımdaki değişiklikler ve morfolojik değişiklikler ışığında fisyon ve füzyonu anlamanın faydalarını açıklıyoruz.
Mitokondri, tüm ökaryotik hücrelerde bulunan, onlara enerji sağlayan ve metabolizmalarını düzenleyen oldukça dinamik organellerdir. Bu nedenle, mitokondri hücresel ölüm ve hayatta kalmanın kavşağındadır. Mitokondrinin, lizozomal asitleşme ve moleküler motor etkiden kas kasılması ve sinaps ateşlemesine kadar çeşitli süreçler için gerekli olduğu gösterilmiştir 1,2.
Mitokondri, hücrenin metabolik talebine ve stresine yanıt olarak ATP'yi verimli bir şekilde üreten bir mitokondriyal ağı sürdürmek için düzenli fisyon ve füzyon olaylarına maruz kalır. Gerçekten de, mitokondrinin, mitokondriyal fragmanların seçici olarak uzaklaştırılması olan mitofajiyi kolaylaştırmak için fisyona uğradığı gösterilmiştir. Bu nedenle, hücresel sistemde sadece aktif olarak solunum yapan ve depolarize olmayan mitokondri kalır 3,4. Bununla birlikte, füzyon, artan bir ihtiyaç olması durumunda ağın ATP çıktısını artırmanın bir yolu olarak ortaya çıkar 5,6. Ek olarak, hem fisyon hem de füzyonun mitokondriyal DNA'nınbölünmesinde ve korunmasında önemli bir rol oynadığı gösterilmiştir 7,8. Fisyon ve füzyon kapsamının, sağlıklı bir mitokondriyal ağ sağlamak için dikkatli bir homeostatik kontrol gerektirdiğine dikkat edilmelidir, çünkü her iki işlemin de çok fazla veya çok azının zararlı olduğu gösterilmiştir.
Aşırı fisyonun, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı ve tauopatilerde 9,10,11 daha sonra azalmış ATP seviyeleri ile parçalanmış bir mitokondriyal ağa yol açtığı gösterilmiştir ve düşük fisyon seviyeleri, depolarize mitokondri birikimine yol açarak Parkinson hastalığı benzeri semptomlara yol açabilir 12. Ağın hiperfüzyonunun, ATP çıktısını artırmak için stres zamanlarında meydana geldiği bilinmektedir. Bununla birlikte, bu durumda uzun süre var olmanın ROS seviyelerini ve otofaji aktivitesini arttırdığı ve hücre ölümünün başlamasına neden olduğu gösterilmiştir 9,12.
Bu nedenle, mitokondriyal ağın durumunu anlamanın, hücrenin ve dolayısıyla organizmanın durumunu anlamak için önemli bilgiler sunduğu açıktır. Mitokondriyal ağın sağlık ve hastalık bağlamında anlaşılmasının açık önemi, fisyon ve füzyon olaylarına maruz kalma kabiliyeti ve bunların hücresel sağlık üzerindeki etkisi, bu protokolün ve ilgili analiz araçlarının geliştirilmesini motive eden şeydir. Spesifik olarak, mitokondriyal dinamiklerin karakterizasyonunu sağlayan araçlar büyük ölçüde sınırlıdır ve literatürde yetersiz bir şekilde tanımlanmıştır.
Mitokondriyal morfoloji tipik olarak konfokal mikroskopi ve ardından mitokondriyal organizasyonu en iyi şekilde tanımladığı için, ham mikrografların değerlendirme kalitelerini artırmak için bir dereceye kadar işlemden geçmesini gerektiren hesaplamalı analiz kullanılarak belirlenir. Bu şekilde kullanıcılar, mitokondriyal ağın sayı, hacim, uzunluk ve en boy oranı 13,14,15 gibi birçok morfometrik sonucunu belirleyebilir. Kullanıcılar, morfolojik değerlendirmeler için 2D veya 3D mikrograflardan yararlanabilir, ancak 3D analiz, mitokondriyal ağ 3D yapılardan oluştuğu için daha fazla doğruluk ve içgörü sunar. Fisyon ve füzyonu analiz etmek amacıyla, mitokondriyal ağın16 3 boyutluluğunu en iyi şekilde telafi ettiği için z eksenli mikrografların kullanılması önerilir.
Birçok çalışma, ağı tanımlamanın bir yolu olarak mitokondrinin parçalanmış, filamentli veya ara durumlara sınıflandırılmasını içerir16,17. 3D analiz, mitokondrinin hücrede aldığı farklı şekiller nedeniyle özellikle faydalıdır. Birinin çalışmasına 3 boyutluluk eklemek, özellikle mitokondriyal sayımlara güven verir, çünkü mitokondrinin bir z ekseni boyunca yukarı veya aşağı hareket etmesi muhtemeldir. MEL, 3D yakalanan görüntülere bağlı olan bir ImageJ eklentisidir18. Burada, mitokondriyal ağı ve hücrenin çekirdeğini görselleştirmek için TMRE ve Hoechst ile boyanmış GT1-7 fare hipokampal nöronal hücrelerini kullandık. Hücreler daha sonra görüntü analizine hazırlanırken mikrografların kalitesini artırmak için bir ön işleme boru hattından geçirildi.
Statik metriklere dayalı olarak mitokondriyal morfolojinin belirlenmesine izin veren birçok teknik kullanıma sunulmuştur. Çok azı fisyon ve füzyon aktivitelerini içerir ve mitokondrinin dinamik davranışının kantitatif olarak yakalanmasını sağlar 13,19,20,21. Burada, mitokondriyal fisyon ve füzyon aktivitesine odaklanarak, ağ özelliklerinin belirlenmesinden önce görüntü geliştirme için bir protokol açıklayacağız. Bu tekniğin, mitokondriyal morfolojiyi belirlemek için daha önce yayınlanmış yöntemleri nasıl tamamlayabileceğini göstereceğiz.
1. Hücre tedavisi ve mikroskopi edinimi
2. Görüntüleme
3. Hesaplamalı değerlendirme
NOT: Sonraki tüm işlemler ImageJ v1.53t kullanılarak yapılmıştır. MEL eklentisi ve destekleyici modüller https://github.com/rensutheart/MEL-Fiji-Plugin'da bulunabilirken, kullanılan tüm makrolar https://github.com/rensutheart/FMPP/tree/master/Sections'da bulunabilir.
Uygun hücrelerin seçilmesi
Kullanıcılar, mitokondriyal ağın hücrenin mitotik durumuna bağlı olarak değiştiğinin farkında olmalıdır. Çekirdek dambıl veya U şeklinde görünüyorsa veya çekirdeğin yakınında floresan sinyali eksikliği olan bir boşluk varsa, bu hücrenin mitoza yaklaştığını gösterebilir. Bu durumda, mitokondri muhtemelen hücre bölünmesi nedeniyle fisyona uğramaktadır ve tedavi müdahalesi ve ağ üzerindeki etkisi nedeniyle değil (Ek Şekil S8).
Metformin, mitokondriyal füzyonu indüklediği gösterilen antidiyabetik bir ilaçtır22. GT1-7 fare hipotalamik hücreleri, mitokondriyal bozulmayı inhibe etmek için 4 saat boyunca 400 nM bafilomisin (Baf), mitokondriyal depolarizasyona neden olmak için 6 saat boyunca 10 μM CCCP ve DMEM'de TMRE ve Hoechst içeren bir kokteylde inkübe edilmeden önce 72 saat boyunca 5 mM metformin hidroklorür (Metf) ile muamele edildi. Ham görüntüler, 405 nm ve 561 nm lazerler kullanılarak beş zaman diliminde yakalanan 0,25 μm z adım genişliğine sahip 10 mikrograftan oluşuyordu. Her zaman noktasının yakalanması 30 saniye sürdü ve bir z-yığınının alınmasını takiben zaman noktaları arasında herhangi bir aralık kullanılmadı. Gösterilen veriler, tedavi grubu başına toplam n olmak üzere dört deneyin ortalama ± standart sapmasının bir temsilidir.
Şekil 1, işleme boru hattının, ham görüntüden başlayarak ve daha sonra MEL tarafından analiz edilen eşikli görüntüye kadar uzanan temsili mikrograflar üzerindeki etkilerini göstermektedir. Dekonvolüsyon, mitokondriyal çözünürlük kalitesini artırırken ışık saçılımını düzeltir. Ön işleme işlem hattı, arka plan çıkarma, bulanıklaştırma ve kontrastı standart bir şekilde artırma işlemlerinden sorumludur. Kontrast arttırıldıktan sonra, yapılar eşiklenir ve MEL tarafından analize ve kullanıcının gerçekleştirmeyi seçebileceği diğer morfolojik değerlendirmelere hazırlık için küçük parçacıklar çıkarılır.

Şekil 1: Görüntü analizi hazırlama hattı. (A) Ham mikrografların kanalları ayrıldı ve (B) çerçeve başına tek hücreler seçildi. (C) Bu hücreler daha sonra (D) arka plan çıkarılmasına tabi tutulmadan önce dekonvolvasyon yapıldı ve kontrast arttırıldı. (E) Son olarak, mikrograflar, fisyon ve füzyon olayı tespiti için MEL eklentisi tarafından analiz edilmeden önce (F) eşiklemeye tabi tutulmuştur. Ölçek çubukları = 10 μm (ana mikrograflar), 2 μm (büyütülmüş bölümler). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2, fisyon ve füzyon aktivitesinin nasıl sınırlandırıldığını ve görselleştirildiğini, daha önce açıklandığı gibi zaman içinde ve 3 boyutlu olarak nasıl gerçekleştiğini göstermektedir18. Fisyon olayları kırmızı puncta ile işaretlenirken, füzyon olayları zaman içindeki dinamik aktiviteyi görsel olarak lokalize etmek için yeşil puncta ile işaretlenir. MEL, z-yığılmış mikrograf boyunca kareden kareye bir şekilde algılar, böylece fisyon ve füzyon aktivitesini 3D olarak gözlemler.

Şekil 2: Fisyon ve füzyon olaylarını 3 boyutlu ve zaman içinde tespit etme. Temsili görüntüler, mitokondriyal ağdaki değişiklikleri art arda üç zaman dilimi boyunca gösterir ve temsili bir ilgi alanı 2B ve 3B olarak gösterilir. Yeşil punkta füzyon olaylarını görselleştirirken, kırmızı puncta fisyon olaylarını görselleştirir. Ölçek çubukları = 10 μm (ana mikrograflar), 2 μm (büyütülmüş bölümler). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Mitokondriyal ağ morfolojisini tanımlamak için birçok teknik yayınlanmış olsa da, çok azı fisyon ve füzyon aktivitesini içerir. Fisyon ve füzyon okumalarının eklenmesi, beş zaman dilimindeki kısa görüntüleme süremiz göz önüne alındığında birbirinden önemli ölçüde farklı olmasa da, CCCP ve Baf ile birlikte tedavi edilen metformin ilavesini takiben olay sayısında önemli bir değişiklik göstermek için yeterliydi (Şekil 3D). Mitokondriyal ağın fisyon ve füzyon aktivitelerindeki artış, ağın dinamik olduğunu ve büyük miktarda yeniden şekillenme geçirdiğini gösterir; Bununla birlikte, fisyon ve füzyon tek başına mitokondriyal ağı tanımlamanız gerekmez. Mitokondriyal sayı ve hacim, ağın yaygın olarak kullanılan morfolojik tanımlayıcılarıdır.
Burada, CCCP ve Baf varlığında Metf'in mitokondriyal sayısında bir artışa ve hacimde bir azalmaya neden olduğunu, fisyon geçirmiş bir mitokondriyal ağ ile tutarlı özelliklere sahip olduğunu gösterdik (Şekil 3C). Önceki bir yayında, fisyon ve füzyonun yanı sıra yapı sayısı vehacim 23 bağlamında mitokondriyal ağı anlamanın faydalarını gösterdik. Burada, toplam mitokondriyal yapı sayısı ile ilgili oldukları için dinamik aktivitenin kapsamını anlamanın önemini de gösteriyoruz (Şekil 3E). Bu şekilde, mitokondri sayısına göre, metforminin, Baf ve CCCP ile birlikte tedavi edilen metforminden daha yüksek derecede dinamik aktiviteye neden olduğunu tespit edebildik (Şekil 3G), mitokondri sayıları kontrole kıyasla değişmese de, metformin tedavisini takiben (Şekil 3D) ağın yeniden şekillenme aktivitesinde önemli bir artış olduğunu göstermektedir (Şekil 3G).

Şekil 3: Mitokondriyal ağın dinamik ve morfolojik değişimleri. MEL eklentisi tarafından işlendikten sonra (A) kontrol, (B) Metformin ile muamele edilen ve (C) Metformin, CCCP ve Baf ile birlikte muamele edilen hücrelerin temsili maksimum yoğunluk projeksiyonları. (D) Fisyon (mavi çubuk) ve füzyon olayları (turuncu çubuk) zaman içinde tespit edildi ve tedavi grubu başına ortalaması alındı. Daha sonra, (E) mitokondriyal yapı sayısını ve (F) mitokondriyal hacmi tespit etmek için ikincil bir morfoloji aracı kullanıldı. (G) Son olarak, fisyon ve füzyon olaylarının sayısı, her tedaviyi takiben ağın göreceli dinamik aktivitesini anlamak için mevcut olan toplam mitokondri sayısı ile ilişkilendirildi. Gösterilen sonuçlar, her hücrenin art arda beş zaman diliminde değerlendirildiği 12 hücrenin ortalamasını temsil eder. Analiz edilen toplam hücre sayısı n = 12 idi. Sonuçlar ortalama ± SEM olarak gösterilir. İstatistiksel analiz tek yönlü varyans analizi kullanılarak yapıldı ve ardından Fisher-LSD testi yapıldı. Ölçek çubukları = 10 μm. * < 0,05'lik bir p değerini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Metformin, CCCP ve Baf (Metf + CCCP + Baf) ile birlikte muamele edilen GT1-7 hücreleri, kontrol ve metformin (Metf) ile tedavi edilen hücrelere kıyasla hem fisyon hem de füzyonda önemli bir artış gösterdi (Şekil 3D). Mitokondriyal yapı sayımı ve hacim değerlendirmesi yaygın olarak kullanıldığından, fisyon ve füzyon aktivitesinin hücrelerdeki toplam mitokondri sayısı ile nasıl ilişkili olduğunu da gösterdik, böylece Metf + CCCP + Baf tedavisini takiben fisyon ve füzyon olaylarının sayısının yüksek olmasına rağmen, bunun en aktif mitokondriyal ağ olmadığını gösterdik. Bu sayede mitokondriyal ağın aktivite seviyesini belirleyebiliyoruz.
Ek Şekil S1: Tek hücrelerin seçilmesi. Serbest el aracını kullanarak, kenarlıklarını bulmak için maksimum kontrastı artırarak ilgilenilen hücrenin etrafına bir şekil çizin. Şekil çizildikten sonra, ilgilenilen pencereyi seçin ve bu hücreyi ayırmak için Dışını Temizle'yi tıklatın. İkinci pencerede, hücre 1'i kaldırmak için Temizle'yi seçin ve mitokondri dahil etme olasılığını ortadan kaldırın. Prosedürü hücre 2 ile tekrarlayın. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S2: Bir nokta yayılma fonksiyonu oluşturma. Solda, bir PSF oluşturmak için ilgili veriler gösterilmiştir (sağda görülür). Kısaltma: PSF = nokta yayılma fonksiyonu. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S3: Evrişim makroları. PSF'ler "psf_file" içine girilir. "input_file", evrişimden önce görüntülerin depolandığı klasör yolunu yansıtmalıdır. "output_path", dekonvolvasyondan sonra görüntüler için istenen hedefi yansıtır. Yineleme sayısı 55. satırda değiştirilebilir. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S4: Makroları ön işleme. "deconv-path", tüm deconvolved görüntüleri içeren klasör konumunu belirtirken, "output_path", makrolardan geçen görüntülerin kaydedildiği klasör konumunu belirtir. ... Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S5: Uyarlanabilir eşikleme. Hesaplama aracı olarak "ağırlıklı ortalamayı" kullanarak, piksel blok boyutumuzu 150 olarak ayarladık ve paraziti ortadan kaldırırken mümkün olduğunca çok yapıyı dahil etmek için doğru çıkarma değerini seçtik. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S6: Makroları eşikleme. "input_path", önceden işlenmiş tüm görüntüleri içeren klasör konumunu belirtirken, "output_path", makrolardan geçen görüntülerin kaydedildiği klasör konumunu belirtir. Blok boyutu, uyarlanabilir eşik değerine göre 12. satırda değiştirilir ve çıkarma değeri makrolarda pozitif bir değer olarak gösterilir. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S7: Mitokondriyal olay yerelleştirici makroları. " inputPathToTimeLapse", işlenecek eşikli bir görüntü içeren tek bir dosya konumunu belirtirken, "outputPath", makrolardan kaynaklanan görüntülerin ve veri dosyalarının kaydedildiği klasör konumunu belirtir. Kısaltma: MEL = mitokondriyal olay yerelleştirici. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S8: Mitoz bölünmeyi tanıma. Sarı ok, mitokondrinin mitoz bölünmeden önce uzaklaştığı bir bölgeyi gösterir. Bu hücreler, MEL değerlendirmesinin bir parçası olarak dahil edilmemelidir, çünkü muhtemelen artan dinamik olaylar meydana gelmektedir. Kısaltma: MEL = mitokondriyal olay yerelleştirici. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.
Burada, zaman içinde mitokondriyal fisyon ve füzyon aktivitesindeki 3 boyutlu değişikliklerin nicelleştirilmesinde yararlı olan bir ImageJ eklentisi olan mitokondriyal olay yerelleştiricisini (MEL) açıklıyoruz. Ayrıca, ImageJ'de analizden önce mikrografların temizlenmesi için yararlı olan bir görüntü işleme hattını da açıklıyoruz.
Bu araştırma, Güney Afrika'daki Stellenbosch Üniversitesi, Güney Afrika Tıbbi Araştırma Konseyi (SAMRC) ve Güney Afrika Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) ile Kanada Sağlık Araştırmaları Enstitüleri (CIHR) ve Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) tarafından finanse edildi.
| 8 oda tabağı | Termo Fisher | #Z734853 | |
| Ayarlanmış eşikleme | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/adaptivethreshold | ||
| Bafilomisin A1 | LKT laboratuvarları | #B0026 | |
| Karbonil siyanür klorofenilhidrazon (CCCP) | Merck | #C2759 | |
| Konfokal mikroskop | Carl Zeiss AG | LSM780 ELYRA PS.1 süper çözünürlüklü platform | |
| Dulbecco'nun Modifiye Kartal Ortamı (DMEM) | Termo Fisher | #341956062 | |
| Fetal Sığır Serumu (FBS) | Sigma-Aldrich | #F0679 | |
| Github bağlantısı | https://github.com/rensutheart/MEL-Fiji-Plugin | ||
| GraphPad Prizma v7.06 | |||
| GT1-7 hücreleri | ATCC | SCC116 Serisi | |
| Hoecsht | Sigma-Aldrich | H6024 (İngilizce) | |
| ImageJ v1.53t | Fiji | ||
| Makro | https://github.com/rensutheart/FMPP/tree/master/Sections | ||
| Metformin | Avrupa Farmakopesi | M06050000 | |
| Penisilin/streptomisin (PenStrep) | Sigma-Aldrich | #P4333 | |
| T25'ler | Biyo-Akıllı Bilimsel | #70025 | |
| TMRE | Termo Fisher | #T669 | |
| Tripsin | Sigma-Aldrich | #T4049 |