ミトコンドリアの構造と機能の研究に<em>ショウジョウバエ</em>卵巣
Summary
Analysis of the mitochondrial structure-function relationship is required for a thorough understanding of the regulatory mechanisms of mitochondrial functionality. Specific methods for studying mitochondrial structure and function in live and fixed Drosophila ovaries are described and demonstrated in this paper.
Abstract
Analysis of the mitochondrial structure-function relationship is required for a thorough understanding of the regulatory mechanisms of mitochondrial functionality. Fluorescence microscopy is an indispensable tool for the direct assessment of mitochondrial structure and function in live cells and for studying the mitochondrial structure-function relationship, which is primarily modulated by the molecules governing fission and fusion events between mitochondria. This paper describes and demonstrates specific methods for studying mitochondrial structure and function in live as well as in fixed tissue in the model organism Drosophila melanogaster. The tissue of choice here is the Drosophila ovary, which can be isolated and made amenable for ex vivo live confocal microscopy. Furthermore, the paper describes how to genetically manipulate the mitochondrial fission protein, Drp1, in Drosophila ovaries to study the involvement of Drp1-driven mitochondrial fission in modulating the mitochondrial structure-function relationship. The broad use of such methods is demonstrated in already-published as well as in novel data. The described methods can be further extended towards understanding the direct impact of nutrients and/or growth factors on the mitochondrial properties ex vivo. Given that mitochondrial dysregulation underlies the etiology of various diseases, the described innovative methods developed in a genetically tractable model organism, Drosophila, are anticipated to contribute significantly to the understanding of the mechanistic details of the mitochondrial structure-function relationship and to the development of mitochondria-directed therapeutic strategies.
Introduction
彼らは分化した細胞でのエネルギー産生の主な席があるので、ミトコンドリアは、古典的に、携帯大国として記載されています。また、ミトコンドリア等は1、代謝、発熱、脂質修飾、カルシウム及び酸化還元ホメオスタシスにおける細胞シグナル伝達プロセスのオーケストレーションに重要な役割を演じます。ミトコンドリアは、細胞死2、ならびに細胞周期調節3での誘導に積極的な役割を果たしています。このような多機能性は、以下の基本的な問題を提起する：a）どのようにミトコンドリアが同時にこれらすべての機能を実行し、異なる機能のために特化されている特定のミトコンドリアプールやサブゾーンb）はありますか？この文脈では、多官能性ミトコンドリアが、個々の細胞内での形状、大きさ、および構造に動的であること、およびミトコンドリアの定常状態の形状は、細胞型間で変化し得ることに留意することが重要です。様々な実験室からの研究の十年オラトリオは、ミトコンドリアの形状、大きさ、構造、総称ミトコンドリアのダイナミクスの変化は、様々なミトコンドリアの機能4,5,6を維持するために重要であることを示唆しています。これらの知見は、ミトコンドリアがそれらの構造的ダイナミズムのおかげで、それらの多機能化を達成することができる可能性を提起します。
大規模な努力がミトコンドリアの構造と機能の関係を理解するために進行中です。ミトコンドリアの構造のダイナミズムは、主として、互いに分裂および融合事象を受ける能力によって維持されます。 2つの小さなミトコンドリアの融合が大きくミトコンドリア素子7にそれらをマージしながら、大規模なミトコンドリアの分裂は、より小さなミトコンドリアの要素に変換します。また、2ミトコンドリアの一過性の融合は、その内容の混合を可能にするために発生することがあります。内側と外側のミトコンドリア膜の分裂と融合イベントは慎重仕様によって支配されていますタンパク質のIFICセット。コア核分裂機械はDRP1機能もによって調節することができる一方で、特定の善意のミトコンドリアタンパク質（ 例えば、Fis1またはMff1）との相互作用によってミトコンドリアに細胞質ゾルから募集されたダイナミン関連タンパク質1（DRP1）、から構成されていますミトコンドリアの表面4上の他のタンパク質。 DRP1は、外膜で動作しますが、その核分裂能力は、同様に内膜に影響を与えます。外側と内側のミトコンドリア膜の分裂のオーケストレーションが十分に理解されていません。 mitofusinsは、外膜5の融合を支配しながら、一方で、内膜の融合は、OPA1の活動によりコアに支配されています。ミトコンドリアの対抗核分裂と核融合イベントのバランスは、細胞内の定常状態のミトコンドリア形状を決定します。例えば、ミトコンドリア分裂の抑制は、ミトコンドリアの過活動しながら、完全かつ無競争の融合をもたらすであろうリットルの核分裂はミトコンドリア3の断片化をもたらすであろう。
ミトコンドリアの構造と機能の関係の研究は、主に次の2つの相補的なアプローチを含む：a）は、ミトコンドリア分裂/融合タンパク質の遺伝子操作した後、細胞および生物表現型の分析およびb）ミトコンドリアの構造と機能の直接評価。表現型が原因で二次的な影響を生じる可能性があるとして、遺伝的分析はいつも、（この場合は、ミトコンドリアの分裂/融合タンパク質）手元にある分子の直接の機能を明らかにしない可能性があることに注目すべきです。したがって、直接ミトコンドリアの構造および機能を研究するためのツールを開発し、使用するために極めて重要です。ミトコンドリアの構造のいずれかの評価は、様々な顕微鏡ツールを必要とします。ミトコンドリアの活力を定性的およびquantitatモニターすることができるので、生細胞の蛍光顕微鏡法の使用は、ミトコンドリアの動力学の研究を大幅に進んでいますively適切な蛍光顕微鏡のツールとテクニック8を使用して。蛍光顕微鏡ベースのツールは、 インビボ 9 ミトコンドリアダイナミズムの意義を解明する、ライブ固定キイロショウジョウバエ組織においてミトコンドリアの構造および機能を研究するために開発されてきました。これらおよび関連する方法は、 ショウジョウバエ卵巣でミトコンドリアの構造と機能を研究することを目的に、ここで説明します。
ショウジョウバエの卵巣は、胚腺10,11内に存在し、それぞれの成体幹細胞から生じる生殖系列および体細胞系統、で構成されています。十六合胞体胚細胞（のGC）は、胚腺（ 図1）から出てくる個々の卵室を形成するために体包細胞（FCS）によってカプセル化されます。 16のGCの一つは、卵母細胞になることを約束します、そして残りの15 GCは卵母細胞チャンバの成長を支援ナース細胞に発展しますそれが載置される前に、卵の成熟を促進します。これらは末端前方包細胞（AFCS）、後方包細胞（PFC類）、及び本体細胞からなるパターン化された上皮細胞層に分化する分裂細胞周期を出る前に、FCの大半は、有糸分裂の9ラウンドを受ける（MBCS） 。連続卵室が早期開発中のFCに由来する細胞を分化さ茎細胞によって接続されています。ミトコンドリア分裂タンパク質DRP1によって規制ミトコンドリアの形状は、積極的にショウジョウバエ卵巣FC層9,12の正常な発達の間、分化の過程に関与しています。 ショウジョウバエ卵胞細胞層の発達にDRP1の関与を同定するために、これらの研究で使用した方法は、ここに記載されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコル内の重要なステップ
光退色：蛍光サンプルの過度の光退色を防止することは、効率的な共焦点顕微鏡を実行することに絶対に必要です。したがって、接眼レンズを介してサンプルを検索したり、ライブ走査モードを介して画像取得パラメータを設定するために使用される時間は、光退色を最小にするために最小化されるべきです。
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We acknowledge Leena Patel and Diamond Woodard for helping in the Drosophila medium preparation and Dr. Igor Chesnokov for providing access to the camera-attached stereomicroscope.
Materials
| Grace's Media (Insect Dissecting Medium) | Fisher Scientific | 30611031-2 | |
| 41 Paraformaldehyde AQ | Electronic Microscopy Sciences | 50-259-99 | |
| Mitotracker Green (overall mitochondrial stain) | Life Technologies | m7514 | Reconstitute and Aliquot |
| Tetramethylrhodamine ethyl ester perchlorate | Sigma Aldrich | 87917-25MG | Reconstitute and Aliquot |
| MitoSox (Mito-Ros stain) | Life Technologies | m36008 | Reconstitute and Aliquot |
| PolyLysine | MP Biomedicals | ICN15017625 | |
| Fly Vials | Fisher Scientific | AS-515 | |
| Fly Conicals | Fisher Scientific | AS-355 | |
| Fly Vial Flugs | Fisher Scientific | AS273 | |
| Fly Conical Flugs | Fisher Scientific | AS 277 | |
| Jazzmix Drosophila food (Drosophila food) | Fisher Scientific | AS153 | |
| Bovine Serum Albumin | Sigma Aldrich | A9647-50G | |
| Cyclin E Antibody (d-300) | Santa Cruz | sc- 33748 | |
| ATPB antibody [3D5] – Mitochondrial Marker | AbCam | ab14730 | |
| Cy3 AffiniPure Goat Anti-Mouse IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 115-165-146 | |
| Cy5 AffiniPure Goat Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson ImmunoResearch | 111-175-144 | |
| Hoechst | Fisher Scientific | H3570 | |
| VectaShield | Fisher Scientific | H100 | |
| Azer Scientific EverMark Select Microscope Slides | Fisher Scientific | 22-026-252 | |
| Microscope Cover Glass | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Mat Tek Corp Glass Bottom Mircrowell Dish | Fisher Scientific | P35G-0-14-C | |
| Active Dried Yeast | Fisher Scientific | ICN10140001 | |
| Confocal Microscope | Carl Zeiss | LSM 700 | |
| Dumont #5 Forceps | Fine Science Technologies | 11251-20 | |
| Moria Nickel Plated Pin Holder | Fine Science Technologies | 26016-12 | |
| Minutien Pins | Fine Science Technologies | 26002-15 | |
| MYFP ( w[*]; P{w[+mC]=sqh-EYFP-Mito}3 ) | Bloomington Stock Center | 7194 | |
| Fly Pad | Fly stuff | 59-118 | |
| Blowgun | Fly stuff | 54-104 | |
| Blowgun needle | Flystuff | 54-119 | |
| Dissecting Microscope | Carl Zeiss | Stemi 2000 | |
| Analyses software | Carl Zeiss | Zen | |
| Analyses software | Open source | Image J | |
| Research Macro Zoom Microscope | Olympus | MVX10 | |
| QICAM Fast 1394 Cooled Digital Camera, 12-bit, Mono | QImaging | QIC-F-M-12-C | |
| QCapture Pro 5.1 | QImaging |
References
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