线粒体 Ca2 +保留容量检测和 Ca2 +触发的线粒体肿胀试验

Neuroscience

Your institution must subscribe to JoVE's Neuroscience section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

本协议的目的是描述一种检查 ca2 +保留容量和 ca2 +触发的 SH-SY5Y 细胞线粒体肿胀的方法逐步。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Li, W., Zhang, C., Sun, X. Mitochondrial Ca2+ Retention Capacity Assay and Ca2+-triggered Mitochondrial Swelling Assay. J. Vis. Exp. (135), e56236, doi:10.3791/56236 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

氧化磷酸化生产 ATP 是线粒体的主要功能。高真核生物中的线粒体也参与胞浆 Ca2 +缓冲, 线粒体中的 ATP 生产可以通过 intramitochondrial 自由 Ca2 +浓度进行介导。Ca2 +保留容量可以被视为线粒体在线粒体基质中保留钙的能力。累积胞内 Ca2 +导致内线粒体膜通透性, 称为线粒体通透性过渡孔 (mPTP) 的开口, 导致分子量小于 1.5 kDa 的分子泄漏。Ca2 +触发的线粒体肿胀用于指示 mPTP 开口。在这里, 我们描述了两种检测, 以检查 ca2 +保留容量和 ca2 +触发线粒体肿胀在孤立的线粒体。添加了一定数量的 Ca2 +后, 所有步骤都可以在一天内完成, 并由微板块读取器记录。因此, 这两种简单而有效的检测方法可以用来评估与 Ca2 +相关的线粒体功能。

Introduction

线粒体是主要的细胞器官, 以产生近95% 的 ATP 在哺乳动物细胞中使用氧化磷酸化。据报道, 通过线粒体、adp 和无机磷酸盐的存在, micromolar 的 Ca2 +的螯合浓度可以用来 phosphorylate adp 合成 ATP1。当胞浆 Ca2 +的浓度超过阈值时, 线粒体可以快速吸收 Ca2 +并缓慢地将其流出。因此, 功能线粒体可以流入增加胞浆 Ca2 +。与参与氧化磷酸化无关, 线粒体 Ca2 +也参与胞浆钙信号和激活线粒体凋亡机制, 诱导开放的 mPTP 在内线粒体膜2。人们普遍认识到, 胞内 Ca 的异常海拔2 +可以通过打开 mPTP3来诱发线粒体大面积肿胀。因此, 本协议旨在通过量化线粒体 Ca2 +保留容量和 Ca2 +-触发线粒体肿胀来评估线粒体功能。

Ca2 +保留容量是衡量线粒体吸收胞浆钙的能力。线粒体可以缓冲胞浆游离钙和调节钙依赖的细胞过程中的钙吸收形式的非活性沉淀。受损的 Ca2 +保留容量发生在与能源限制有关的压力现象中, 甚至神经退行性疾病4,5。分离的线粒体或 digitonin-透细胞可用于识别 Ca2 +保留容量, 并且由具有额外谷氨酸和苹果酸的孤立线粒体积累 Ca2 +的提升能力不受线粒体隔离过程6。滴定量的 digitonin 应用于 permeabilize 不同细胞类型的血浆膜。ca 的 hexapotassium 盐2 +-结合绿色荧光染料, 一个 Ca2 +敏感细胞-impermeant 可见光兴奋指示器, 已被广泛使用的7。Ca2 +-结合绿色荧光染料是一种低亲和力指示器, 用于表明胞内游离 Ca2 +浓度在长时间 (5 分钟) 刺激8中继续上升。该方法比放射性过滤技术灵敏度低, 但大大简化。额外的 Ca2 +提升了钙绿色荧光, 线粒体的 Ca2 +吸收将荧光返回到基线。连续添加了 ca2 + , 直到线粒体未能摄取 extramitochondrial Ca2 + 9。荧光微板块读取器可用于连续报告钙绿色荧光。

在 ca2 +累积之后, 线粒体偏振光, 将 Ca2 +释放到介质中, 并开始膨胀。Ca2 +触发的线粒体肿胀用于指示 mPTP 开口。电子显微镜和光吸收率降低 540 nm 可用于测量 Ca2 +触发的线粒体肿胀10,11。线粒体体积可以直接确定的前角光散射12, 其中吸收减少反映线粒体基质的被动肿胀。

在这里, 我们说明了检查线粒体 Ca2 +保留容量和 Ca2 +触发线粒体肿胀从 SH-SY5Y 细胞分离的线粒体的方法。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 线粒体的分离

注: 所有解决方案和设备应预换热器 0-4 摄氏度, 并保持在冰上。

  1. 种子约 3 x 106 SH-SY5Y 细胞每10厘米细胞培养皿。高糖 Dulbecco 修饰鹰培养基中培养细胞, 10% 胎牛血清, 青霉素 (100 U/毫升)-链霉素 (100 µg/毫升)。在包含 5% CO2的孵化器中保持37摄氏度。
    注意: 每个隔离检测都需要至少 1-2 x 107 SH-SY5Y 单元格。
  2. 取出培养基, 在10厘米细胞培养皿中用大约1毫升的冰冷 PBS 冲洗细胞3次。
  3. 在10厘米细胞培养皿中加入新的1毫升冰冷 PBS, 将黏附细胞刮成新的1.5 毫升管。离心机在 800 x g 10 分钟在4摄氏度。
  4. 在离心过程中, 准备5毫升线粒体隔离缓冲 (250 毫米蔗糖, 10 毫米 HEPES (4-(2-羟乙基)-1-哌嗪磺酸), 10 毫米氯化钾, 1.5 毫米氯化镁2, 1 毫米 EDTA) 补充 50 ul 蛋白酶抑制剂库存溶液 (100x 浓度; 1 无 EDTA 片剂溶于500µL 的 ddH2O)。
  5. 取出上清液, 并用重悬1毫升线粒体隔离缓冲颗粒。在冰上孵化1.5 毫升管30分钟。
  6. 溶解在冰上手动向上和向下的玻璃均质机 (15-25 冲程) 悬浮细胞。
    注意: 确保细胞均匀时没有气泡。用显微镜观察完整的细胞和裸露的细胞核, 并确认 > 90% 细胞破损发生。
  7. 将匀浆转化为1.5 毫升管, 离心机在 1000 x g 处, 5 分钟到4摄氏度, 去除碎片 (细胞核和剩余完好的细胞)。
  8. 将上清液转移到新的1.5 毫升管和离心机在 1000 x g 5 分钟4°c。
  9. 将上清液转移到新管和离心机在 1.4万 x g 15 分钟4°c。
  10. 并用重悬1毫升线粒体隔离缓冲液去除含有线粒体的颗粒。
  11. 离心溶液为15分钟在 1.4万 x g 4 °c 沉淀线粒体。
  12. 所产生的线粒体颗粒必须保持在冰和悬浮 50-100 ul 氯化钾介质 (125 毫米氯化钾, 2 毫米 K2HPO4, 1 毫米氯化镁2, 20 毫米 HEPES, 5 毫米谷氨酸, 5 毫米苹果酸, 2 微米鱼藤酮, pH 7.4) 根据颗粒体积前任何驴哎。
  13. 使用5的线粒体溶液 ul 测定线粒体蛋白浓度通过标准的评估测试, 测量 OD562 使用一个板读取器13

2. 线粒体 Ca2 +保留容量的测定

  1. 准备氯化钾介质, 并在实验前将 Ca2 +结合绿色荧光染料添加到最终浓度为0.5 微米。
  2. 在含0.5 微米 Ca2 +的氯化钾介质中转移1毫升的分离线粒体 (0.4 毫克/毫升), 将绿色荧光染料结合到每个6井板中。
  3. 孵化线粒体和 Ca2 +-结合绿色荧光染料在6井板室温保护, 从环境光1分钟. 添加 4 ul 整除数20毫米 CaCl 2 解决方案 (20 毫米 CaCl 2, 127 毫米氯化钾, 1 毫米氯化镁 2 , 20 毫米 HEPES, 5 毫米谷氨酸, 5 毫米苹果酸, pH 7.4) 到每个6井板井使用自动分配设置引入 200 nmol Ca2 +/镁线粒体蛋白。
  4. 使用荧光光谱仪监测每3秒的荧光变化为2分钟, 激发波长为 506 nm, 发射波长为 531 nm。在软件控制的读数 (图 1) 之间, 板上的震动为 600 rpm 3 秒。
  5. 添加一个额外的 4 ul 整除20毫米 CaCl2解决方案, 每个井和监测荧光变化每3秒为2分钟. 重复此步骤, 直到荧光随时间增加。
    注意: 通过增加的记录荧光指示的添加的 Ca2 + , 线粒体面临挑战。当 mPTP 打开时, 荧光随时间增加。
  6. 解释添加的 ca2 +的总金额, 直到 mPTP 作为 Ca2 +保留容量打开为止。

3. 钙2 +诱导的线粒体肿胀的测定

  1. 在实验前准备氯化钾介质。
    1. 将氯化钾介质中1毫升的分离线粒体 (0.4 毫克/毫升) 转移到每个6井板中。
  2. 添加 10 ul 20 毫米 CaCl2水溶液 (500 nmol/镁线粒体蛋白) 成线粒体蛋白, 引发线粒体肿胀。
  3. 记录由软件控制的微板块读取器上每3秒 540 nm 的吸光度降低10分钟 (2)。荧光的变化是由溶质流入线粒体内膜引起的。
    注: 540 nm 的吸收量减少, 相当于肿胀的线粒体。如果阅读器没有观察到吸收的减少, 可以采用更长的阅读间隔或阅读时间。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ca2 +保留容量的代表性结果:
结果以荧光值表示。随着 Ca2 + (200 nmols/毫克线粒体蛋白) 的额外脉冲, 荧光量在基线上增加了两个 mPTP 开口。5微米 Bongkrekate (BKA), 一抑制剂的 ca2 +诱导 mPTP 开放, 或1微米苍术苷二 (ATR), 一个激活剂的ca2 + 诱导 mPTP 开放, 增加了孤立的线粒体。添加的 ca2 +的总量, 直到在基线荧光以上的双增量指示的 mPTP 打开被解释为 Ca2 +保留容量。我们的数据显示, BKA 治疗的线粒体 Ca2 +保留容量远高于 ATR 组。这些数据证实了对线粒体 Ca2 +保留容量 (图 3) 的适当测量。

Ca2 +引起的线粒体肿胀的代表性结果:
在添加 CaCl2后的10分钟内, 结果被表达为 540 nm 的吸收率和初始吸光度的百分比变化。由于添加了 Ca2 + (500 nmol/毫克线粒体蛋白), 在 540 nm 监测到的吸收量减少表明线粒体肿胀。BKA 或 atr 的治疗, 校准曲线显示轻微或急剧下降与初始吸光度相比, 表明 BKA 可以抑制 mPTP 开放, 而 ATR 可以促进 mPTP 打开 (图 4)。

Figure 1
图 1: 线粒体 Ca 的软件设置2 +保留容量检测.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 线粒体 Ca 的软件设置2 +触发的线粒体肿胀检测.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 对 Ca2 +保留容量的测量.用 ca2 +结合绿色荧光染料, 在存在5微米 bongkrekate (BKA)、1微米苍术苷二 (ATR) 或空白控制 (fluorometrically) 的情况下, 测量了分离线粒体中的超线粒体Ca 2 +。使用 BKA、ATR 和微板块的独立线粒体对 Ca2 + 保留的跟踪量以 506 nm (Ex) 和 531 nm (Em) 为单位进行测量。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 检测 Ca2 +引起的线粒体肿胀.在5微米 bongkrekate (BKA)、1微米苍术苷二 (ATR) 或空白控制 (SH-SY5Y) 存在下,Ca2 + 诱导的线粒体肿胀是以 540 nm 的初始吸光度的百分比降低的校准曲线表示的。请单击此处查看此图的较大版本.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

在这里, 我们描述了一个简单有效的线粒体 Ca2 +保留容量检测和 Ca2 +触发的线粒体肿胀试验的协议。

对于线粒体的隔离, 要确保所有的材料和管子都在冰上, 特别是当细胞均匀化时。0.25% 胰蛋白酶-EDTA 也可用于分离皿中的细胞5分钟, 在37摄氏度。15-25 冲程后, 必须观察显微镜下的完整细胞膜, 避免线粒体膜的断裂。然而, 我们获得的分离的线粒体是粗线粒体和纯化的线粒体可以通过1.0 米/1.5M 不连续蔗糖梯度获得。在活体细胞中线粒体的生物学特性更像是体内, 而不是线粒体中的介质成分浓度。线粒体 Ca2 +保留容量或 Ca2 +触发的线粒体肿胀检测是在通电条件下确定的。为确定功能性线粒体, 5 毫米琥珀酸可以添加为呼吸道基质, 而不是谷氨酸和苹果酸6

ca2 +-结合绿色荧光染料 (绑定 ca2 +具有 4.29 @ 0.67 毫米的亲和性), 更适合于测量 Ca2 +的 micromolar 浓度, 而不是更高亲和染料 (如 fura-2 7)。添加 ca2 +绑定绿色荧光染料后, 孵化必须小于 240s. 连续添加的 ca2 + (不同于 25-200 nmol) 被注射在 1-3 分钟间隔。校准曲线显示出线粒体无法封存的 ca2 +的浓度, 表明 ca2 +的脉冲的线粒体摄取量。否则, ca2 +结合绿色荧光染料也用于钙信号调查, 如胞内游离 Ca2 +浓度测量, 以下 ca2 +流入和释放, 多光子激发活体组织中 Ca2 +的成像。

为确定 Ca2 +诱导的线粒体肿胀, 也可以诱发肿胀, 增加200毫米 ATR 和 CaCl2。作为一个控制, 线粒体可以孵化1毫米 CsA 在测量前5分钟, 这抑制了 mPTP 开放。先前的研究显示, 吸收的校准曲线是肿胀线粒体的百分比的函数14。据报道, 1 毫米 CsA, 0.1 毫米钌红, 和相同体积的新鲜线粒体 (0.5 毫克/毫升) 可以增加的反应时, 肿胀是完整的。由于 CsA 和钌红可以抑制新鲜添加的线粒体中的 mPTP 开放, 校准曲线表明肿胀的线粒体和非肿胀的线粒体15。在 ca2 +过载的情况下, 线粒体肿胀的协议也是对 ca2 +诱导的 mPTP 开放的有效和直接测量。

自从50年前, 从哺乳动物和其他更高脊椎动物的线粒体中发现了 Ca2 +的传输, 对线粒体钙外流和流入的机制和功能进行了大量的研究。线粒体 ca2 +吸收机制包含线粒体 ca2 + uniporter, 快速模式或 RaM, 和兰尼碱受体 (mRyR) 16.我们上面描述的化验结果可以简单有效地评估与 Ca2 +相关的线粒体功能。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

太阳监督实验。李伟进行了实验。陈张和 x. 孙写了这篇论文。

Acknowledgements

这项研究得到了来自山东省杰出科学家 (JQ201421) 的赠款和自然科学基金 (81371226) 赠款的资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
SH-SY5Y cell line ATCC (The Global Bioresource Center) ATCC Number: CRL-2266
Calcium green-5N Life Technologies c-3737 Ca2+-binding green fluorescent dye
complete protease inhibitors Roche Molecular Biochemicals 4693116001
glass homogenizer Kimble Chase 9885303002
glutamate Sigma-Aldrich RES5063G-A7
malate Sigma-Aldrich 46940-U
rotenone Sigma-Aldrich R8875
HEPES Sigma-Aldrich H3375
MgCl2 Sigma-Aldrich 00457
K2HPO4 Sigma-Aldrich V900050
KCl Sigma-Aldrich P9541
CaCl2 Sigma-Aldrich V900266
Varioskan flash instruments Thermo Scientific IC100E
Bongkrekate Biovision 1820-100
atractyloside Sigma-Aldrich C4992
high-glucose Dulbecco’s modified Eagle medium Hyclone SH30022 4.5 g/L glucose, L-glutamine, without sodium pyruvate
fetal bovine serum Hyclone SV30087
penicillin Sigma-Aldrich P3032
streptomycin Invitrogen 11860-038
BCA assay kit Thermo Scientific NCI3225CH
PBS Hyclone SH30256.01
10 cm cell culture dish NEST 704001

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rossi, C. S., Lehninger, A. L. Stoichiometry of respiratory stimulation, accumulation of Ca++ and phosphate, and oxidative phosphorylation in rat liver mitochondria. J Biol Chem. 239, (11), 3971-3980 (1964).
  2. Gunter, T. E., Buntinas, L., Sparagna, G., Eliseev, R., Gunter, K. Mitochondrial calcium transport: mechanisms and functions. Cell Calcium. 28, (5-6), 285-296 (2000).
  3. Crofts, A. R., Chappell, J. B. Calcium Ion Accumulation and Volume Changes of Isolated Liver Mitochondria. Reversal of Calcium Ion-Induced Swelling. Biochem J. 95, 387-392 (1965).
  4. Wojda, U., Salinska, E., Kuznicki, J. Calcium ions in neuronal degeneration. IUBMB Life. 60, (9), 575-590 (2008).
  5. Celsi, F., et al. Mitochondria, calcium and cell death: a deadly triad in neurodegeneration. Biochim Biophys Acta. 1787, (5), 335-344 (2009).
  6. Murphy, A. N., Bredesen, D. E., Cortopassi, G., Wang, E., Fiskum, G. Bcl-2 potentiates the maximal calcium uptake capacity of neural cell mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A. 93, (18), 9893-9898 (1996).
  7. Rajdev, S., Reynolds, I. J. Calcium green-5N, a novel fluorescent probe for monitoring high intracellular free Ca2+ concentrations associated with glutamate excitotoxicity in cultured rat brain neurons. Neurosci Lett. 162, (1-2), 149-152 (1993).
  8. Stout, A. K., Reynolds, I. J. High-affinity calcium indicators underestimate increases in intracellular calcium concentrations associated with excitotoxic glutamate stimulations. Neuroscience. 89, (1), 91-100 (1999).
  9. Bambrick, L. L., et al. Cyclosporin A increases mitochondrial calcium uptake capacity in cortical astrocytes but not cerebellar granule neurons. J Bioenerg Biomembr. 38, (1), 43-47 (2006).
  10. Zhao, K., et al. Cell-permeable peptide antioxidants targeted to inner mitochondrial membrane inhibit mitochondrial swelling, oxidative cell death, and reperfusion injury. J Biol Chem. 279, (33), 34682-34690 (2004).
  11. Muriel, M. P., et al. Mitochondrial free calcium levels (Rhod-2 fluorescence) and ultrastructural alterations in neuronally differentiated PC12 cells during ceramide-dependent cell death. J Comp Neurol. 426, (2), 297-315 (2000).
  12. Allman, R., Hann, A. C., Phillips, A. P., Martin, K. L., Lloyd, D. Growth of Azotobacter vinelandii with correlation of Coulter cell size, flow cytometric parameters, and ultrastructure. Cytometry. 11, (7), 822-831 (1990).
  13. Wiechelman, K. J., Braun, R. D., Fitzpatrick, J. D. Investigation of the bicinchoninic acid protein assay: identification of the groups responsible for color formation. Anal Biochem. 175, (1), 231-237 (1988).
  14. Petronilli, V., Nicolli, A., Costantini, P., Colonna, R., Bernardi, P. Regulation of the permeability transition pore, a voltage-dependent mitochondrial channel inhibited by cyclosporin A. Biochim Biophys Acta. 1187, (2), 255-259 (1994).
  15. Pastorino, J. G., et al. Functional consequences of the sustained or transient activation by Bax of the mitochondrial permeability transition pore. J Biol Chem. 274, (44), 31734-31739 (1999).
  16. Gunter, T. E., Sheu, S. S. Characteristics and possible functions of mitochondrial Ca(2+) transport mechanisms. Biochim Biophys Acta. 1787, (11), 1291-1308 (2009).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics