体外体内检测人类细胞中的 Mitophagy,线虫和小鼠

Medicine

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

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

 

Summary

Mitophagy, 清除受损线粒体的过程, 是线粒体稳态和健康维护所必需的。本文介绍了人类细胞、线虫线虫和小鼠的一些最新的 mitophagy 检测方法。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Fang, E. F., Palikaras, K., Sun, N., Fivenson, E. M., Spangler, R. D., Kerr, J. S., Cordonnier, S. A., Hou, Y., Dombi, E., Kassahun, H., Tavernarakis, N., Poulton, J., Nilsen, H., Bohr, V. A. In Vitro and In Vivo Detection of Mitophagy in Human Cells, C. Elegans, and Mice. J. Vis. Exp. (129), e56301, doi:10.3791/56301 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

线粒体是细胞的动力, 以 ATP 的形式产生细胞能量。线粒体功能障碍有助于生物老化和多种疾病, 包括代谢疾病, 过早衰老综合征, 和神经退行性疾病, 如阿尔茨海默氏病 (AD) 和帕金森氏症 (PD)。线粒体健康的维持取决于线粒体生物和有效清除功能性线粒体通过 mitophagy。实验方法, 以准确检测自噬/mitophagy, 特别是在动物模型, 一直是挑战, 以发展。最近在了解 mitophagy 分子机制方面取得的进展, 使新的 mitophagy 检测技术得以发展。在这里, 我们介绍了几种通用的技术来监测人类细胞中的 mitophagy,线虫线虫(, 罗塞拉和 DCT-1/LGG-1 菌株), 和小鼠 (mt-马)。这些 mitophagy 检测技术的结合, 包括物种评估, 将提高 mitophagy 测量的准确度, 并有助于更好地了解 mitophagy 在健康和疾病中的作用。

Introduction

Mitophagy 对线粒体的维护至关重要。线粒体与多个细胞信号通路相交, 是细胞能量产生、细胞新陈代谢和钙稳态的通用细胞器,1,2,3,4. 线粒体经常面临来自内源性和外部来源的挑战, 如活性氧种 (ROS) 和线粒体毒物, 这些都导致了 "衰老" 和功能失调的线粒体的产生。受损线粒体的积累降低了 ATP 生产的效率, 同时增加了有害活性氧的数量, 并与年龄有关的疾病, 如代谢性疾病, AD 和 PD1,5,6.为了防止线粒体诱导的细胞功能障碍, 细胞需要特别识别受损的线粒体, 并通过细胞过程中的线粒体自噬 (mitophagy) 有效地去除它们。这表明 mitophagy 在健康和疾病中的重要性说明了需要准确和有效的方法来检测 mitophagy 的体外体内

Mitophagy 是一个多步过程涉及许多蛋白质和蛋白质复合物5,7,8。简言之, 受损的线粒体首先被 double-membraned phagophore, 它可以来源于细胞膜、内质网、高尔基体、细胞核或线粒体本身9,10。球形 phagophore 拉长, 并最终封闭线粒体内, 构成线粒体 autophagosome (mitophagosome)。mitophagosome 然后与溶的降解, 形成一个 autolysosome, 其中受损的线粒体退化和回收利用7,8。主要的噬蛋白也涉及 mitophagy 包括: 自噬相关的 7 (ATG7) 和 Beclin1 (启动), 微管相关蛋白 1 a/1 b 光链 3 (LC3-II) (LGG-1 在C. elegan) 和 p62 (phagophore 的组成部分), 并溶酶体相关膜糖蛋白 2 (LAMP2)6,7。此外, 有几种基本的蛋白质 mitophagy, 包括 PTEN 诱导的假定激酶 1 (PINK-1), Parkin1, 核点蛋白 52 kDa (NDP52), optineurin, BCL2 交互蛋白3像 (NIX/BNIP3L) (DCT-1 在C. 线虫),在其他5611中。

一种检测自噬水平变化的常用方法是 LC3-II/LC3-I 或 LC3-II/actin 的比值。然而, 这种方法是非特异性的, 因为增加这一比例可能反映了增加启动或受损融合的 mitophagosome 到溶12。另一种方法是评估自噬标记 (例如, LC3) 和线粒体蛋白 (如如, Translocase 外线粒体膜 20 (TOMM20, 可被蛋白酶降解)) 之间的定位。但是, 这只能指示总 mitophagy 级别的变化, 并且不能区分发生阻塞的步骤。这可以通过使用溶酶体抑制剂 (例如, E64d+Pepstatin A, 称为 EP) 来澄清, 从而导致 mitophagosomes 的积累。mitophagosomes 在基线上的数目与 EP mitophagosomes 后的数量之间的差异可以表明 mitophagy。这些限制促使了新的 mitophagy 检测技术的发展。鉴于 mitophagy 在广泛的人类疾病中的相关性日益增强, 我们提出了几种健壮的 mitophagy 检测技术, 这可能对研究人员有用。我们包括体外体内技术, 并建议结合多种技术来验证 mitophagy 的变化。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

动物 (雄性和雌性小鼠) 是根据和批准 NIH 动物保育和使用委员会的认可而在动物设施中出生和繁殖的。安乐死的方法必须符合所有国家和机构的规定。

1. 人体细胞中 Mitophagy 的检测

  1. 用 mt-马质粒检测 mitophagy
    注: 马蛋白, 融合到线粒体靶信号, 简化为 mt-马, 已证明是有用的体内mitophagy 检测。马是一种比率 pH 敏感的荧光蛋白, 在碱性或中性条件下呈绿色荧光 (激发 458 nm), 在酸性条件下具有红色荧光 (激发 561 nm)。健康的线粒体生长在碱性或中性条件下 (pH 值为 7-8), 在转染 mt 马时用绿色荧光表示。当线粒体经过 mitophagy 并与酸性溶酶体融合时, pH 下降到 4.5, 含有 mt-马的线粒体呈红色荧光6,13,14。重要的是, mt-马是对溶酶体蛋白酶的抗性, 能够在较长时期内对 mitophagy 进行评价。下面的协议是为6井板设计的。
    1. 1天: 使用主要的人类细胞 (例如, 成纤维细胞) 或永生化的人类细胞 (如如, Hela 细胞或 U2OS 细胞)。种子大约 0.3-1 x 106细胞/井 (根据细胞生长速率, 使细胞在第二天达到 70% 70-100) 在一个6孔板。在完整的细胞培养基中维持细胞 (Dulbecco 氏改良的鹰培养基 (DMEM) 培养基辅以 10% FBS, 和1% 青霉素-链霉素混合溶液), 在细胞培养孵化器中孵育37° c (20% O2, 5% CO2).在6孔板中加入1毫升完整的细胞培养基/井。
      注: 基因过度表达/击倒或药物治疗可在此阶段进行6
    2. 2天: 混合 mt-马质粒 dna6和 dna 转染试剂 (为6井板的一个井的混合物)。
      1. 根据制造商的协议, 用150µL 的无血清培养基稀释15µL 的 DNA 转染试剂。
      2. 用150µL 无血清培养基稀释2-5 µg 马质粒 DNA。
      3. 添加稀释的 mt-马质粒到稀释的 DNA 转染试剂, 十年代的漩涡, 在室温下孵育10分钟。
        注: DNA 转染条件的优化可能是必要的取决于板的大小 (见制造商的协议细节)。
      4. 添加 DNA/转染试剂混合物滴到细胞, 然后轻轻摇动板 5-10 s, 直到解决方案完全混合。
    3. 3天: 用新鲜完整的细胞培养基 (1 毫升/井) 取代 DNA 转染试剂培养基, 改变培养基。
    4. 4天: 使用共聚焦显微镜成像细胞6。使用两个成像通道: 绿色通道 (激发 458 nm, 发射 570-695 nm) 来可视化正常的线粒体和红色通道 (激发 561 nm, 发射 570-695 nm) 来可视化正在 mitophagy 的线粒体。随机图像20面积在40x 放大率, 以覆盖100-200 细胞在每一个井。
    5. 执行数据分析。计算 "mitophagy 指数" (mitophagy 线粒体的百分比), 利用图像分析软件对红色和绿色通道的荧光量进行量化: 以红色荧光与红 + 绿荧光的比值,乘以 1006
      注: 替代转染包括使用 mt-马稳定表达的 HeLa 细胞系14。由于 HeLa 细胞不表达帕金, 帕金必须稳定表达, 以研究帕金依赖性 mitophagy 在这个细胞线。
  2. 细胞色素 C 氧化酶亚基 II (COXII) 与 LAMP2 定位的 mitophagy 检测
    注: COXII 是线粒体基因组编码的内膜蛋白。"mitophagy 指数" 等于 COXII colocalized 与 LAMP2 的比值, 表示为 COXII 总金额的百分比。
    1. 在1° c (37 O20%) 的细胞培养池中, 4 井室滑动 (1-5 x 104细胞在2毫升完全细胞培养培养基/井) 中的种子 HeLa 细胞 (或1.1.1 中提到的其他感兴趣的细胞) 5% CO2) 过夜。
    2. 添加3.0 µL 10 毫米羰基氰化物-4-三氟甲氧基腙 (FCCP) 和孵育在细胞培养孵化器 (步骤 1.2.1) 为 3 h。
      注: 其他影响 mitophagy 的药物可使用。
    3. 使用1毫升吸管移除培养基, 用1毫升/冷 (0-4 ° c) 1x PBS 清洗两次电池。让解决方案坐在10-30 秒前的下一个洗涤。然后在 1x PBS 中加入0.5 毫升3.7% 甲醛 (粉煤灰), 并在冰上孵育10分钟以固定细胞。
      注意: 粉煤灰是毒素。使用粉煤灰时, 在通风橱里工作。
    4. 使用1毫升吸管丢弃粉煤灰溶液, 用冷 1X pbs (1 毫升/井) 冲洗两次电池; 让解决方案坐在十年代之前的下一个洗涤), 并 permeabilize 的细胞与1毫升/井0.25% 洗涤剂 (在 1x PBS) 为10分钟的冰。
    5. 丢弃 permeabilizing 缓冲液, 用冷 1x PBS 轻轻冲洗两次, 丢弃 (让溶液坐在十年代之间洗)。在4° c 的晚上, 在 1x PBS 中, 用1毫升/井的 5% FBS 阻断细胞。盖住房间以防湿气流失。
    6. 用 COXII 抗体 (小鼠, 1:250 稀释) 和 LAMP2 抗体 (兔, 1:20-1:50 稀释) 在 1x PBS 中准备0.5 毫升/好的混合抗体溶液, 5% FBS, 并在冰上储存 0.5-1 h。
    7. 从冷室取出4井室滑动, 用1毫升吸管丢弃堵塞液。用1毫升/好的冷 1x PBS 和丢弃 (让溶液坐在十年代之间洗) 两次, 然后加入0.5 毫升/好混合抗体溶液。在37° c 的低转速下孵育1小时。
    8. 丢弃第一个抗体溶液使用1毫升吸管和温和地洗涤细胞三次1毫升/井的冷 1x PBS 和丢弃。让解决方案坐在十年代之前的下一个洗涤。添加1毫升/好的荧光二次抗体 (例如, 山羊兔与波长 568 nm 的红色荧光蛋白 (RFP) 的 LAMP2; 和山羊 anti-mouse 与波长 488 nm 绿色荧光蛋白 (GFP) 为 COXII) 1:250 稀释与5%FBS 在 1x PBS。用铝箔覆盖4井室滑动, 在37° c 下孵育1小时, 在一个低转速的振动筛上。
    9. 用1毫升吸管丢弃第二抗体溶液。用1毫升/好的冷 1x PBS 温和冲洗细胞六次。让溶液在下一次洗涤前坐1分钟。
    10. 将50µL/antifade 安装介质的电池装入 DAPI, 并添加盖板。
    11. 在共聚焦显微镜下, 用66x 放大倍数和浸入式油 (瓷砖扫描/马赛克) 对细胞进行成像, 可以增加软件的成像细胞数量。在所有图像处理过程中使用相同的设置, 如通道曝光时间、数字增益、数字偏移量、(有关详细信息, 请参阅软件说明)15
    12. 使用定位分析软件对100单元的至少20随机图像进行定量分析15。使用 "闭合贝塞尔曲线" 函数选择整个单个单元格。比较皮尔逊的定位系数的 GFP, 以 RFP, 无论是加权或加权, 以确定 mitophagy 水平的分析细胞。在整个分析过程中维护定位分析软件的水平和垂直十字线的值。要精确设置这些十字线, 请准备两组额外的单元格, 并标记一个 COXII 和其他 LAMP2。然后, 在每个通道15的像素分布上方直接设置十字线 (有关详细信息, 请参阅软件说明)。
  3. 高吞吐量成像测量 mitophagy 的筛选
    注: 执行高吞吐量屏幕的 mitophagy 诱导或 mitophagy 抑制化合物从大型复合图书馆是技术要求。基于线粒体与体定位的成像技术是一种更简单, 但高度敏感的选择, mitophagy 筛选16
    1. 1天: 种子细胞 (例如, 5000 cells/100 mL 细胞培养基/井) 中的人原代成纤维细胞 (见步骤 1.1.1)。
    2. 2天: 将第二天的细胞与 FCCP 或其他有兴趣的化合物用于指定的潜伏期 (见步骤 1.2.2)。
    3. 按照步骤 1.2. 2-1. 2.9 使用 COXII 的主要抗体 (小鼠, 1:250 稀释与 5% FBS 在 1x pbs) 和 LC3B (兔子, 1:100-1: 200 稀释与 5% FBS 在 1x pbs)。此外, 还可使用 COXII 和 LAMP2 的主要抗体。
    4. 使用荧光读取器16对单元格进行图像处理。收集图像在随机放置的领域和至少500细胞/井。
    5. 使用单元分析器自定义协议16分析数据。

2. 在线虫中检测 Mitophagy

注意: 线虫 mitophagy) 提供了一个平台, 以分析个体水平的检测. 两个菌株可用于监测 mitophagy: (1) 线粒体靶向罗塞拉 (mtRosella) 或 (2) mitophagy 受体 DCT-1 与 autophagosomal 标记 LGG-1 融合与 Discosoma sp. 红色荧光蛋白 (DsRed)5,17

  1. 基于罗塞拉生物传感器的 Mitophagy 监测
    注: 罗塞拉是一种分子生物传感器, 它将 ph 不敏感的 DsRed 融合到 ph 敏感性的 GFP 变种。罗塞拉生物传感器利用酸性溶 (ph 值〜 4.5) 和其他细胞间的 ph 值的差异。该生物传感器已被用来成功地监测 mitophagy 在酿酒酵母和几个哺乳动物细胞系, 如 HeLa, HEK293, 和 HCT11618,19。我们改编了这一多才多艺的双荧光记者, 并产生了转基因的线虫线虫表达线粒体靶罗塞拉 (mtRosella) 在体壁肌细胞. Mitophagy 诱导是通过降低 GFP/DsRed 比 mtRosella 荧光表示。
    1. 1天: 用解剖显微镜5, 在体壁肌肉细胞中选取表达线粒体靶向罗塞拉 (mtRosella) 的蠕虫幼虫, 将其 L4 到线虫生长培养基 (NGM) 上, 用大肠杆菌(OP50。安置10-20 蠕虫或板材在至少三 3.5 cm 板材。在20° c5的标准温度下孵化线虫。
      注意: 有关蠕虫解剖的参考, 包括 L4 幼虫20的识别, 以及用于将蠕虫从一个位置传输到另一个21的选择的方法。
    2. 5天: 通过选择 15-20 L4 转基因幼虫并将其转移到新鲜的 OP50 种子 NGM 板上, 使线虫同步。每个实验条件至少使用五板。
    3. 7天: 准备汽车牌照, mitophagy 影响的药物或积极控制。
      1. 杀死大肠杆菌(OP50) 细菌的种子, 暴露 NGM 板15分钟, 222 µW/cm2 (强度) 的 UV 光, 以确保 mitophagy 诱导化合物不会代谢细菌。必须用2000的 J/m2公开板。
        注意: 需要曝光的秒数 = 2000/((强度在µW/cm2) * 100)。
      2. 将感兴趣的化合物添加到种子 NGM 板的顶端。添加等量的复合车辆 (溶剂用于溶解化合物, 如二甲基亚砜), 以汽车牌照作为负控制。为积极控制 mitophagy 诱导, 线粒体毒物, 百草枯 (8 毫米最终浓度) 使用。添加一个解决方案, 含有10µL 的8米百草枯库存, 190 µL 的 ddH2O 在琼脂板的顶部为治疗组。对于车辆组, 添加一个解决方案包含10µL 的亚甲基亚砜与190µL 的 ddH2O 在琼脂板的顶部。
        注: 百草枯工作液可在4° c 下保存1月。
      3. 轻轻地旋转盘子直到药物或车辆覆盖整个表面。在转移蠕虫之前, 允许板在室温下关闭至少1小时以使其干燥。
        注: 药物板也可以通过在液体 NGM 中加入药物来制备, 然后再固化。
    4. 7天: 转移10-20 的2天的成年转基因动物在步骤 2.1.2, 以含有百草枯、化合物或汽车 (甲基亚砜) 的板材。在20° c 下孵育2天的转基因动物。
    5. 9天: 准备2% 琼脂糖垫 (请参阅补充材料)。然后在每片 M9 中添加一滴 (10 µL) 20 毫米左旋咪唑。将转基因动物固定在 M9-levamisole 的下落中, 使其成象。轻轻地把片放在上面。
    6. 使用附着在荧光显微镜上的照相机捕捉单个转基因动物。获取荧光图像的整个转基因线虫表达 mtRosella 体壁肌肉细胞在10X 倍放大倍数5。保存收集的图像。
    7. 使用 ImageJ 软件处理获取的图像。分析位于蠕虫头部的体壁肌细胞, 以避免肠道组织中的自发荧光。测量每个荧光图像的平均像素强度值和总面积仅为每个动物的头部区域。分析感兴趣的具体领域:
      1. 在 "图像" 和 "颜色" 下拉菜单中选择 "分割通道" 以转换图像。
      2. 利用 "徒手选择" 工具捕捉感兴趣的荧光区域。
      3. 在 "分析" 下拉菜单下选择 "测量" 命令, 并执行像素强度分析。
      4. 通过对总面积的分析, 对像素强度进行归一化。正常化后, 计算 GFP 为 DsRed 比22
    8. 使用统计分析软件进行学生t测试 (两个组之间的比较) 或方差分析 (多个组之间的比较) 以p < 0.05 作为重要的517.
  2. DCT-1 与 LGG-1 共存 mitophagy 的评价
    注: DCT-1 是一种外线粒体膜蛋白, 它作为一种 mitophagy 受体反应于应激状态, 类似于其假定的 orthologues BNIP3 和哺乳动物的 NIX/BNIP3L (5。因此, mitophagy 的启动是评估共存之间的 DCT-1 mitophagy 受体和 autophagosomal 膜蛋白 LGG-1 (同源哺乳动物 LC3)。
    1. 1天: 选取 L4 的转基因动物幼虫, 将 DCT-1::GFP 和 DsRed::LGG-1 在体壁肌细胞中的表达,5到 OP50 种子 NGM 板上。放置5-10 蠕虫/3.5 cm 板, 并使用至少三板。在20° c 孵育线虫。
      注意: 转基因位于单独的质粒中, 它们没有被整合在基因组中。拾取带有6 (su1006)pmyo-2 GFP contransformation 标记的线虫。只有两个 contransformation 标记的转基因蠕虫在体壁肌细胞中表达 DCT-1::GFP 和 DsRed::LGG-1。
    2. 按照 2.1. 2-2. 1.5 的步骤执行。
    3. 图像单体-壁肌细胞使用摄像头连接到共聚焦显微镜5,23。检测整个身体壁肌肉细胞的边界, 并采取 z 堆栈图像在63x 放大倍数。也可以使用更高的放大倍数。
    4. 使用共焦软件获取的打开和处理图像。mitophagy 的启动是由 mitophagy 受体 (DCT-1::GFP) 的共存向 autophagosomal 标记 (DsRed::LGG-1) 指示的。在人体壁肌细胞的每个堆叠中手动测量共存事件5。必须保持所有的显微镜和相机设置 (镜头和放大镜, 过滤器, 曝光时间, 分辨率, 激光强度, 增益,) 在整个实验中一致。应注意所有设置。
    5. 使用统计分析软件进行学生t测试 (两个组之间的比较) 或方差分析 (多个组之间的比较) 以p < 0.05 作为重要的517.对于 two-way 比较使用学生的t测试 (p < 0.05 被认为是重要的)。对于多个比较, 使用单因素方差分析, 由post Bonferroni 测试更正。我们建议在每个实验条件下至少分析50-70 动物或30-50 体壁肌细胞。重复实验至少三次。

3. 小鼠 Mitophagy 的检测

注意: 以前检测小鼠 mitophagy 的方法繁琐, 不敏感, 难以量化。一个表达了荧光报告马 (mt-马) 的线粒体靶向型的转基因小鼠模型现在可以用来评估 mitophagy 在各种生理和病理条件下的水平。

  1. 安乐使用由机构动物保育和使用委员会批准的协议14
  2. 使用四肢的针脚将鼠标 (腹侧向上) 固定到工作平台上。用显微外科剪刀和镊子在下腹切开切口, 使肝脏显露为24。用显微外科剪刀和镊子切一块肝脏 (例如, 1 x 1 x 1 厘米的右叶)。
    注意: 检测小鼠的 mitophagy 是复杂的, 需要了解鼠标解剖和熟练的鼠标操作和小鼠手术。此协议提供了有关此方法的基本步骤, 并且可以使用更详细的方法24
  3. 将肝脏样品放在冰上的金属板上, 以迅速冷却组织。将组织置于冷金属板上, 并尽快处理。最理想的情况是, 在解剖1小时内使用。
  4. 用弯曲钳提起肝脏样品, 用5毫升的 ice-cold 1x PBS 冲洗。
  5. 将肝脏转移到一个培养皿 (Ø 100 mm) 上, 用铲刀的勺端将其转到冰上。
  6. 用单边刀片将肝脏样品手工切割成 0.5-1 毫米厚的切片。
  7. 用显微外科钳将组织切片小心地转移到玻璃底盘。
  8. 小心地用钳子将肝切片放在底部。
  9. 用3-5 滴冷 1x PBS 覆盖切片肝脏。
    注意: 建议 DAPI 染色以确定某些组织 (、大脑)24中的感兴趣区域。为了验证共存的红色 mt-马信号与溶, 溶酶体染料, 如葡聚糖级联蓝和 lysosensor, 可以使用24
  10. 通过两次连续激励24在共焦显微镜下成像组织切片。设置两个成像通道: "绿色" mt-马通道 (激发 458 nm, 发射 570-695 nm 范围) 和 "红色" mt-马 (激发 561 nm, 发射 570-695 nm 范围)。在实验条件之间保持成像设置。为了更有效地成像, 同时分析两只动物。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

人体细胞中 Mitophagy 的检测:

采用本方法, 对人 HeLa 细胞进行转染 mt-马质粒。健康细胞展示了一个组织良好的线粒体网络 (GFP, 488 nm), 很少发生 mitophagy (RFP, 561 nm)。然而, 用线粒体剂 FCCP (30 µM 3 h) 进行预处理的细胞表现出 mitophagy 发生率的严重增加 (图 1A)。还使用 LAMP2 和 COXII (图 1B) 之间的共存来测量 Mitophagy。

线虫中检测 Mitophagy

我们检查了表达 DsRed 与 LGG-1 融合的转基因线虫的体壁肌细胞, mtRosella 或 DCT-1 在正常和 mitophagy 诱导条件下 (如氧化应激) 与 GFP 融合。转基因动物接触百草枯 (2 天8毫米)。Mitophagy 诱导是通过降低 GFP/DsRed 比 mtRosella 荧光 (图 2A) 表示的。此外, DCT-1::GFP 和 DsRed::LGG-1 信号之间共存事件的升高意味着对氧化应激反应的 mitophagy 刺激 (图 2B)。

利用 mt-马小鼠检测 Mitophagy:

成像分析的在体内mitophagy 提供洞察 mitophagy 在正常和病理生理条件。使用上述的协议, mitophagy 发生在不同的器官组织, 如肝脏和小脑 (图 3), 可以可视化的共焦 mitophagy。

Figure 1
图1。不同的方法来评价 mitophagy 在人的细胞.(A) 人 HeLa 细胞转染 mt-马质粒三天, 然后在 488 nm 和 561 nm 成像。作为一个积极的控制, ceflls 治疗 FCCP (30 µM) 3 小时前成像。(B) 人原发性成纤维细胞 LAMP2 (RFP) 和 COXII (GFP) 的图像。(C) 人成纤维细胞的图像染有 anti-TOM20 (红色) 和 anti-LC3 (绿色) 抗体。右侧的条形图显示了线粒体 co-localizing 与体的读数。通过高能应力 (无葡萄糖半乳糖介质) 和添加溶酶体抑制剂 E64d 和 Pepstatin A (EP) 为 24 h. 代表的 (A)、(B) 和 (C) 的标记在最后每个面板的数字, 独立。定量数据显示在平均± S.E.M. **p < 0.001;t-测试。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图2。在体内检测 mitophagy 在C. 线虫() 在体壁肌肉细胞中表达 mtRosella 的转基因线虫用8毫米的百草枯处理.Mitophagy 刺激是由 ph 敏感性 GFP 与 ph 不敏感的 DsRed (n = 50; **p < 0.001 的比值所表示。t-测试)。箭头指出肠道的自发荧光。刻度线表示20µm. 获取详细信息: 曝光时间, 200 毫秒;对比度, 中等。使用10X 物镜获取图像。定量数据显示在平均± S.E.M. 值。(B) 转基因线虫 co-expressing mitophagy 受体 DCT-1 与 GFP 融合, autophagosomal 蛋白 LGG-1 与 DsRed 融合在体壁肌肉细胞中, 接触到8毫米的百草枯。Mitophagy 诱导是由共存的 GFP 和 DsRed 信号 (为每组图像 DCT-1 显示在绿色的顶部, 体在红色下方, 并在底部的合并图像; n = 30; **p < 0.001;t-测试)。销售酒吧表示20µm. 收购详情: 决议, 1024 X 1024;大师增益, Track1: 562 和 Track2: 730;发射过滤器, Track1 Channel1: 639 毫微米和 Track2 Channel2: 519 毫微米;激光强度, Track1 (543 nm): 12.9% 和 Track2 (488 nm): 39.4%。使用40X 物镜获取图像。定量数据显示在平均± S.E.M.请点击这里查看这个数字的更大版本.

Figure 3
图3。体内马转基因小鼠 mitophagy 的检测.马信号的代表性图像在肝脏 (上部) 和小脑区域 (包括浦肯野细胞, 下面板) mt 马老鼠 (458 毫微米, 绿色; 561 毫微米, 红色)。刻度栏表示10µm.请单击此处查看此图的较大版本.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

精确测量 mitophagy 是技术上的要求。在这里, 我们提出了一些强有力的技术, 允许定性检测 mitophagy 和量化的 mitophagy 水平在最常见的实验室实验模型。

为了获得可复制的数据, 必须进行至少三生物重复的实验设计。所有参与试验和分析的研究人员都必须对实验组的特性视而不见。此外, 成像场必须在图像采集过程中随机选择。对于细胞培养和线虫研究, 至少应该进行三生物重复。对于马鼠的研究, 建议使用足够数量的小鼠来达到统计学意义。对于哺乳动物细胞, 每个实验分析30-100 细胞, 并运行至少3不同的实验。这些步骤的质量控制可实现可复制的结果。最近在其他地方对酵母中的 mitophagy 检测进行了总结25

体外mitophagy 检测技术中有几个关键步骤。转染效率, 取决于试剂的质量和所使用的 DNA, 在马蛋白的转染过程中至关重要。因此, 在不同的条件 (例如, 使用不同的细胞系) 的转染效率的优化是必要的。对于 LAMP2/COXII 方法, 抗体特异性和最佳原抗体稀释褶皱影响图像质量, 并在开始实验前进行测试。这同样适用于高成像方法, 其中抗体质量和稀释是至关重要的。自动化显微系统和定制的分析协议允许对至少1500细胞/条件的成像和分析, 这使得结果与其他在体内成像的方法相比非常健壮。此外, 分析协议提供了进一步的线粒体参数的数据, 如长度和总面积的细胞基础上, 这是非常有用的 mitophagy 研究。

在某些情况下, 不建议用线粒体外膜蛋白 (如 TOMM20) 来测定 LAMP2 的定位。mitophagy 的早期阶段涉及帕金介导的线粒体外膜蛋白泛, 包括 TOMM20 和 Mitofusin 1 (MFN1)。帕金共轭多个不同的泛素链连接在这些蛋白质包括 K48-linked 泛素链, 促进蛋白质降解的26S 蛋白酶体。因此, 即使 mitophagy 被阻止6, 这些化线粒体外膜蛋白仍然可以被降解。这可能会扭曲数据, 从而导致整体数据解释中的误报。此外, 线粒体 DNA 的消除 (脱氧核糖核酸核) 是 mitophagy 的第二个指标, 它可以用抗 dna 抗体6的免疫荧光定量。

下面列出了在C. 线虫中监视体内mitophagy 的一些关键步骤:

1. 建议每24–48将转基因动物转移到新的盘子中, 以避免后代的生长, 从而导致混合种群或饥饿, 这本身可能引发 mitophagy。因此, 应使用 non-starved 线虫。

2. 左旋咪唑是一种用于固定线虫的轻度麻醉剂。避免可能影响线粒体活动的麻醉剂, 如叠氮化钠。叠氮化钠阻断线粒体呼吸链的成分和 perturbs 的能量生成, 导致线粒体和氧化应激。因此, 叠氮化钠很可能引发 mitophagy。

3. 在显微镜检查时, 不应允许标本晾干。因此, 建议使用 M9 缓冲液代替水, 以确保良好的渗透条件。

4. 肠道自发荧光随着年龄的增长在线虫。因此, 在显微镜检查时, 应避免靠近肠道的体壁肌细胞。

5. 如果百草枯无法诱发 mitophagy: a.增加百草枯在蠕虫上的暴露时间, b.增加百草枯浓度, 或c准备一个新的百草枯工作溶液, 因为它的效率随着时间的推移而下降。

6. 如果在接触百草枯的蠕虫中观察到增加的 matricidal 孵化, 请: a.减少百草枯的处理时间, b.减少百草枯浓度, c.加 fluorodeoxyuridine (FUdR) 的补充板 (最终浓度为100-400 μ m), 一种防止卵子孵化的 DNA 合成抑制剂, 或d.在较老的蠕虫 (例如, 4 天的蠕虫) 中进行实验。

此过程描述了使用 mt-马转基因小鼠在肝脏中成像 mitophagy 的步骤, 如图 3所示。使用 mt-马系统14分析了除大脑和肝脏以外的组织。通过两次连续激励, 得到了肝组织的双激励比成像。所有图像必须从刚切除的器官获得。检查的组织应保持低温, 尽快处理。肝片可在任何年龄获得。当成像 mitophagy, 优化激光功率和曝光时间的每个器官在显微镜分析。激光功率应设置在最低输出, 允许清晰可视化 mt-马信号14。但对马转基因小鼠有一定的局限性。由于马的不稳定性以及在固定的溶酶体膜上 pH 梯度的丧失, 这种小鼠模型不适合低温切片和免疫组织化学。另一个限制是, 马, 或该蛋白的基质集料, 可能影响未知的线粒体或细胞功能, 即使它不改变线粒体氧消耗率14。此外, 与前述的细胞培养和C. 线虫方法相比, 与马小鼠相关的时间和成本使高通量分析变得不那么可取。除了这里提到的方法, 其他方法定量研究 mitophagy 马小鼠包括西部印迹或外地资产管制。要注意的是, 除了马的转基因小鼠外, 还有另一个 mitophagy 的老鼠模型, "美图", 一个具有 pH 敏感的荧光线粒体信号的转基因小鼠模型,26。由于 mitophagy 的复杂性和动力学, 我们建议结合上述荧光方法与其他常见的 mitophagy 检测方法, 如电子显微镜和西方印迹, 以加强的结果。

新的 mitophagy 检测技术的发展, 如在这里提到的, 将有广泛的应用, 从机械研究 mitophagy 到高通量药物屏幕。应该指出的是, mitophagy 很容易受到内生和外源波动的影响 (例如, 细胞培养条件, 如细胞密度, 饥饿, 缺氧,1,5,8. 因此, 在所有实验中保持同样的实验条件是至关重要的。重要的是要使用不同的 mitophagy 检测方法在体外在体内的研究, 以验证正确的解释 mitophagy 状态的结合。进一步了解 mitophagy 的机制, 通过这里提到的技术, 将允许开发新的, 更精确的 mitophagy 检测方法。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

玻尔实验室与 ChromaDex 和葛兰素史克 CRADA 安排。

Acknowledgments

我们感谢 Dr. Atsushi 宫和 Dr. 理查德 j 游乐共享 mt 马质粒和 mt 马联合 Hela 细胞。我们感谢 Raghavendra a. Shamanna 和 Dr. Croteau 对手稿的批判性阅读。这项研究得到了国立卫生研究院 (VAB)、国家老龄研究所的内部研究方案以及2014-2015 和2016-2017 的 intra-laboratory 赠款 (VAB) 的支持。HELSE 支持 RHF (项目编号: 2017056) 和挪威研究理事会 (项目编号: 262175)。

作者投稿:

设计了原稿, 起草了草稿;KP, NS, EMF, RDS, JSK, SAC, YH, 和 ED 写了不同的部分的文件;NT, JP, VAB 修改了手稿, 并提供了专门知识。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
mt-Keima mouse Jackson Laboratory
Lipofectamine 2000 DNA transfection reagent Thermofisher #11668027
Opti-MEM medium (Gibco) Thermofisher #31985062 serum-free medium
mtKemia plasmid: pCHAC-mt-mKeima addgene #72342
COXII antibody (mouse) abcam #ab110258
LAMP2 antibody (rabbit) NOVUS #CD107b
goat-anti-rabbit with wavelength 568 nm of red fluorescent protein (RFP) Thermofisher #Z25306 Alexa Fluor 568 dye
goat-anti-mouse with wavelength 488 nm of green fluorescent protein (GFP) Thermofisher #Z25002 Alexa Fluor 488 dye
prolong gold antifade with DAPI Invitrogen #P36931
6-well plate SIGMA
Corning Costar
#CLS3516
4-well chamber slide THermofisher, Nunc Lab-Tek #171080
Nunc F 96-well plate Thermofisher #152038
LC3B antibody rabbit NOVUS #NB100-2220
DNA antibody Progen Biotechnik #anti-DNA mouse monoclonal, AC-30-10
DAPI Thermofisher #D1306 antifade mounting medium with DAPI
IN Cell analyzer (fluorescent reader ) GE Healthcare Life Sciences #IN Cell analyzer 2200
Eclipse TE-2000e confocal microscope Nikon #TE-2000e
Colocalization software Volocity #Volocity 6.3 alternative Zeiss ZEN 2012 software
IN Cell Investigator Software GE Healthcare Life Sciences #28408974
cell culture medium Thermofisher #DMEM–Dulbecco's Modified Eagle Medium
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Thermofisher #15140122
Fetal Bovine Serum Sigma-Aldrich #12003C-1000ML
Cell culture Incubator Thermofisher #Thermo Forma 3110 CO2 Water Jacketed Incubator
epifluorescence microscope Zeiss Zeiss Axio Imager Z2
camera Olympus Olympus DP71
confocal microscope Zeiss Zeiss Axio Observer Z1
confocal software Zeiss ZEN 2012
image analysis software Image J colocalization analysis, etc https://imagej.nih.gov/ij/
statistical analysis software GraphPad Software Inc., San Diego, USA GraphPad Prism software package
material to make a worm pick Surepure Chemetals #4655 The pick is made of 30 gauge 90% platinum 10% iridium wire
IR: N2;Ex[pmyo-3 TOMM-20::Rosella] Material inquiry to Tavernarakis Nektarios Maintain transgenic animals at 20 °C
IR: N2; Ex[pdct-1 DCT-1::GFP; pmyo-3 DsRed::LGG-1] Material inquiry to Tavernarakis Nektarios
pmyo-3 TOMM-20::Rosella Material inquiry to Tavernarakis Nektarios
pdct-1 DCT-1::GFP Material inquiry to Tavernarakis Nektarios
pmyo-3 DsRed::LGG-1 Material inquiry to Tavernarakis Nektarios
Paraquat solution see supplementary data for preparation
M9 buffer see supplementary data for preparation
M9-levamisole buffer see supplementary data for preparation
Glass Microscope Slides and Coverslips Fisher Scientific #B9992000
Surgical forceps STERIS Animal Health 19 Piece Canine Spay Pack Economy
Surgical scissors STERIS Animal Health 19 Piece Canine Spay Pack Economy
1x PBS Thermofisher #AM9625 10x PBS needs to be diluted to 1x PBS by using ddH2O
shaker Fisher Scientific #11-676-178 Thermo Scientific MaxQ HP Tabletop Orbital Small Open Air Platform Shaker Package A
2% agarose pad see supplementary data for preparation
Vibroslice blades World precision instruments #BLADES-2 single-edge blade
metal plate MSC #78803988 0.012 in thick x 6 in wide x 12 in long, 430 Stainless Steel Sheet
Triton X-100 detergent
Methyl viologen dichloride hydrate Sigma-Aldrich #856177 paraquat
Incubator for nematodes AQUALYTIC Incubator to maintain 20 °C
Dissecting stereomicroscope Olympus SMZ645
Confocal microscope Zeiss AxioObserver Z1 For nematodes (step 2)
epifluorescence microscope Zeiss AxioImager Z2 For nematodes (step 2)
UV crosslinker Vilber Lourmat BIO-LINK – BLX-E365 UV light source; 356 nm

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fang, E. F., et al. Nuclear DNA damage signalling to mitochondria in ageing. Nat Rev Mol Cell Biol. 17, (5), 308-321 (2016).
  2. Scheibye-Knudsen, M., Fang, E. F., Croteau, D. L., Wilson, D. M. 3rd, Bohr, V. A. Protecting the mitochondrial powerhouse. Trends Cell Biol. 25, (3), 158-170 (2015).
  3. Sun, N., Youle, R. J., Finkel, T. The Mitochondrial Basis of Aging. Mol Cell. 61, (5), 654-666 (2016).
  4. Shadel, G. S., Horvath, T. L. Mitochondrial ROS signaling in organismal homeostasis. Cell. 163, (3), 560-569 (2015).
  5. Palikaras, K., Lionaki, E., Tavernarakis, N. Coordination of mitophagy and mitochondrial biogenesis during ageing in C. elegans. Nature. 521, (7553), 525-528 (2015).
  6. Lazarou, M., et al. The ubiquitin kinase PINK1 recruits autophagy receptors to induce mitophagy. Nature. 524, (7565), 309-314 (2015).
  7. Kerr, J. S., et al. Mitophagy and Alzheimer's Disease: Cellular and Molecular Mechanisms. Trends neurosci. 40, (3), 151-166 (2017).
  8. Fivenson, E. M., et al. Mitophagy in neurodegeneration and aging. Neurochem Int. (2017).
  9. Menzies, F. M., Fleming, A., Rubinsztein, D. C. Compromised autophagy and neurodegenerative diseases. Nat Rev Neurosci. 16, (6), 345-357 (2015).
  10. Rubinsztein, D. C., Shpilka, T., Elazar, Z. Mechanisms of autophagosome biogenesis. Curr Biol. 22, (1), R29-R34 (2012).
  11. Kerr, J. S., et al. Mitophagy and Alzheimer's disease: cellular and molecular mechanisms. Trends neurosci. 40, (3), 151-166 (2017).
  12. Menzies, F. M., Moreau, K., Puri, C., Renna, M., Rubinsztein, D. C. Measurement of autophagic activity in mammalian cells. Curr Protoc Cell Biol. Chapter 15, Unit 15 16 (2012).
  13. Katayama, H., Kogure, T., Mizushima, N., Yoshimori, T., Miyawaki, A. A sensitive and quantitative technique for detecting autophagic events based on lysosomal delivery. Chem Biol. 18, (8), 1042-1052 (2011).
  14. Sun, N., et al. Measuring In Vivo Mitophagy. Mol Cell. 60, (4), 685-696 (2015).
  15. Fang, E. F., et al. Defective mitophagy in XPA via PARP-1 hyperactivation and NAD(+)/SIRT1 reduction. Cell. 157, (4), 882-896 (2014).
  16. Diot, A., et al. A novel quantitative assay of mitophagy: Combining high content fluorescence microscopy and mitochondrial DNA load to quantify mitophagy and identify novel pharmacological tools against pathogenic heteroplasmic mtDNA. Pharmacol Res. 100, 24-35 (2015).
  17. Schiavi, A., et al. Iron-Starvation-Induced Mitophagy Mediates Lifespan Extension upon Mitochondrial Stress in C. elegans. Curr Biol. 25, (14), 1810-1822 (2015).
  18. Rosado, C. J., Mijaljica, D., Hatzinisiriou, I., Prescott, M., Devenish, R. J. Rosella: a fluorescent pH-biosensor for reporting vacuolar turnover of cytosol and organelles in yeast. Autophagy. 4, (2), 205-213 (2008).
  19. Sargsyan, A., et al. Rapid parallel measurements of macroautophagy and mitophagy in mammalian cells using a single fluorescent biosensor. Sci Rep. 5, 12397 (2015).
  20. Altun, Z. F., Hall, D. H. Introduction to C. elegans anatomy. WormAtlas. (2009).
  21. Chaudhuri, J., Parihar, M., Pires-daSilva, A. An introduction to worm lab: from culturing worms to mutagenesis. J Vis Exp. (47), e2293 (2011).
  22. Palikaras, K., Tavernarakis, N. In vivo Mitophagy Monitoring in Caenorhabditis elegans to Determine Mitochondrial Homeostasis. Bio Protoc. 7, (7), e2215 (2017).
  23. Palikaras, K., Tavernarakis, N. Assessing Mitochondrial Selective Autophagy in the Nematode Caenorhabditis elegans. Methods Mol Biol. 1567, 349-361 (2017).
  24. Sun, N., et al. A fluorescence-based imaging method to measure in vitro and in vivo mitophagy using mt-Keima. Nat Protoc. 12, (8), 1576-1587 (2017).
  25. Eiyama, A., Okamoto, K. Assays for Mitophagy in Yeast. Methods Mol Biol. 1567, 337-347 (2017).
  26. McWilliams, T. G., et al. mito-QC illuminates mitophagy and mitochondrial architecture in vivo. J Cell Biol. 214, (3), 333-345 (2016).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics