Visualisation de la fonction respiratoire mitochondriale utilisant Cytochrome C Oxydase / succinate déshydrogénase (COX / SDH) Double-histochimie étiquetage
Summary
Le cytochrome c oxydase / sodium déshydrogénase (COX / SDH) double étiquetage méthode permet la visualisation directe de l'ADN mitochondrial des déficits enzymatiques respiratoires dans des coupes de tissus congelés frais. C'est une technique simple histochimiques et est utile dans les enquêtes sur les maladies mitochondriales, le vieillissement et les troubles liés au vieillissement.
Abstract
ADN mitochondrial (ADNmt) des défauts sont une cause importante de maladie et peut expliquer le vieillissement et liées au vieillissement 1,2 altérations. La théorie mitochondriale du vieillissement suggère un rôle pour les mutations de l'ADNmt, ce qui peut altérer l'homéostasie bioénergétique et la fonction cellulaire, dans le processus de vieillissement 3. Une abondance de preuves ont été rassemblées à l'appui de cette théorie de 1,4, un exemple étant l'ADNmt mutator souris 5, mais le rôle précis des dégâts ADNmt dans le vieillissement n'est pas entièrement comprise 6,7.
Observer l'activité des enzymes respiratoires est une approche simple pour enquêter sur un dysfonctionnement mitochondrial. Complexe IV ou cytochrome c oxydase (COX), est essentielle pour la fonction mitochondriale. Les sous-unités catalytiques de la COX sont codées par l'ADNmt et sont essentiels pour l'assemblage du complexe (figure 1). Ainsi, la synthèse et la fonction sont largement basées sur l'ADN mitochondrial de l'intégrité 2.Bien que d'autres complexes respiratoires pourraient être étudiés, Complexes IV et II sont les mieux adaptés à l'examen histochimique 8,9. Complexe II ou succinate déshydrogénase (SDH), est entièrement codée par l'ADN nucléaire (figure 1), et son activité n'est généralement pas affecté par l'ADNmt altérée, bien qu'une augmentation pourrait indiquer la biogenèse mitochondriale 10-12. L'ADNmt déficience observée dans les maladies mitochondriales, le vieillissement et maladies liées au vieillissement amène souvent à la présence de cellules ayant une activité COX faible ou absente 2,12-14. Bien que les activités COX et SDH peuvent être étudiées individuellement, le double étiquetage séquentielle méthode de 15,16 s'est avéré être avantageux de localiser les cellules présentant un dysfonctionnement mitochondrial 12,17-21.
Beaucoup de constitutions optimale de l'essai ont été déterminés, tels que la concentration du substrat, les accepteurs d'électrons / donateurs, intermédiaire des transporteurs d'électrons, l'influence du pH, et la réaction tIME 9,22,23. 3,3 '-diaminobenzidine (DAB) est un donneur d'électrons efficace et fiable 22. Dans les cellules avec des inhibiteurs de la COX fonctionnement, la brune indamine polymère produit localiser dans crêtes mitochondriales et saturer les cellules 22. Ces cellules avec des inhibiteurs de la COX dysfonctionnel ne seront donc pas être saturé par le produit DAB, permettant la visualisation de l'activité SDH par réduction de nitrobleu de tétrazolium (NBT), un accepteur d'électrons, d'un produit formazan extrémité bleue 9,24. Cytochrome c et substrats de succinate de sodium sont ajoutés à normaliser les niveaux endogènes entre le contrôle et malades / mutant tissus 9. La catalase est ajoutée à titre de précaution pour éviter de possibles réactions du contaminant 9,22 activité peroxydase. Méthosulfate de phénazine (PMS), un transporteur d'électrons intermédiaire, est utilisé en conjonction avec l'azoture de sodium, un inhibiteur de la chaîne respiratoire, d'augmenter la formation des produits de réaction final 9,25. En dépit de cette informationtion, certains détails critiques qui affectent le résultat de ce dosage convenable simple, en plus des contrôles de spécificité et les progrès de la technique, n'ont pas encore été présenté.
Protocol
Discussion
Le combiné COX / SDH méthode histochimique permet la visualisation des cellules présentant un dysfonctionnement mitochondrial. Cette technique, avec les premières études remontent à 1968, reste populaire, avec beaucoup estiment qu'il s'agit de «gold standard» pour identifier les maladies mitochondriales chez les patients 14,19,26,27. Il est maintenant fréquemment utilisée pour étudier l'ADNmt mutation conduit le vieillissement et le vieillissement des troubles liés 12,13,18,20,21,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le National Institute of Aging (AG04418), le National Institute on Drug Abuse, Institut national de santé-Karolinska Institutet Graduate Programme de partenariats, Karolinska Institutet, Conseil de recherche suédois, Brain Power suédois, et la Fondation du cerveau suédois. Un grand merci à Mattias Karlen et le Dr Giuseppe Coppotelli pour le soutien créatif avec la figure 1 et 2, respectivement; Karin Pernold d'assistance technique, et les Drs. Barry J. Hoffer, Lars Olson, et Nils-Göran Larsson pour des conseils utiles et bien des discussions.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Dry Ice | AGA Gas AB | block form | |
| Isopentane (2-methylbutane) | Sigma-Aldrich | 277258 CAS: 78-78-4 |
|
| Cyrostat embedding solution | Sakura Finetek | Tissue Tek 4583 | |
| Cryostat | Microm | Microm Model HM 500M | |
| Slides | Thermo Scientific | Super Frost Plus Menzel Gläser J1800AMWZ |
|
| Cover glasses Borosilicate glass |
VWR International | 16004-098 | 24 x 50 mm |
| Filter Paper | Munktell Filter AB | Quality: 1350 Article Number: 242 001 |
430 x 430 mm |
| 3,3′-diaminobenzidine tetrahydrochloride (DAB) | Sigma-Aldrich | Sigma Liquid Substrate System, D7304 | |
| Cytochrome c (Type III, from equine heart) | Sigma-Aldrich | C2506 CAS: 9007-43-6 |
|
| Bovine catalase (from liver) | Sigma-Aldrich | C9322 CAS: 9001-05-2 |
|
| Nitroblue tetrazolium (NBT) | Sigma-Aldrich | N6876 CAS: 298-83-9 |
|
| Sodium succinate | Sigma-Aldrich | S2378 CAS: 6106-21-4 |
|
| Phenazine methosulfate (PMS) | Sigma-Aldrich | P9625 CAS: 299-11-6 |
PMS is light sensitive. Shield from light. |
| Sodium azide | Sigma-Aldrich | S8032 CAS: 26628-22-8 |
|
| Xylene | VWR International | EM-XX0060-4 | |
| Entellan | VWR International | 100503-870 | |
| Malonate (Malonic acid) |
Sigma-Aldrich | M1296 CAS: 141-82-2 |
Riferimenti
- Larsson, N. G. Somatic mitochondrial DNA mutations in mammalian aging. Annu. Rev. Biochem. 79, 683-706 (2010).
- Cottrell, D. A. Role of mitochondrial DNA mutations in disease and aging. Ann. NY Acad. Sci. 908, 199-207 (2000).
- Harman, D. The biologic clock: the mitochondria. J. Am. Geriatr. Soc. 20, 145-147 (1972).
- Wallace, D. C. Mitochondrial genetics – a paradigm for aging and degenerative diseases. Science. 256, 628-632 (1992).
- Trifunovic, A. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase. Nature. 429, 417-423 (2004).
- Ameur, A. Ultra-deep sequencing of mouse mitochondrial DNA: mutational patterns and their origins. PLoS Genet. 7, e1002028-e1002028 (2011).
- Safdar, A. Endurance exercise rescues progeroid aging and induces systemic mitochondrial rejuvenation in mtDNA mutator mice. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 4135-4140 (2011).
- DiMauro, S., Bonilla, E., Zeviani, M., Nakagawa, M., DeVivo, D. C. Mitochondrial myopathies. Ann. Neurol. 17, 521-538 (1985).
- Old, S. L., Johnson, M. A. Methods of microphotometric assay of succinate dehydrogenase and cytochrome c oxidase activities for use on human skeletal muscle. Histochem. J. 21, 545-555 (1989).
- Chaturvedi, R. K. Impaired PGC-1alpha function in muscle in Huntington’s disease. Hum. Mol. Genet. 18, 3048-3065 (2009).
- Edgar, D. Random point mutations with major effects on protein-coding genes are the driving force behind premature aging in mtDNA mutator mice. Cell. Metab. 10, 131-138 (2009).
- Ross, J. M. High brain lactate is a hallmark of aging and caused by a shift in the lactate dehydrogenase A/B ratio. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 107, 20087-20092 (2010).
- Crugnola, V. Mitochondrial respiratory chain dysfunction in muscle from patients with amyotrophic lateral sclerosis. Arch. Neurol. 67, 849-854 (2010).
- Nonaka, I. Muscle pathology in cytochrome c oxidase deficiency. Acta. Neuropathol. 77, 152-160 (1988).
- DiMauro, S. Mitochondrial encephalomyopathies. Neurol. Clin. 8, 483-506 (1990).
- Bonilla, E. New morphological approaches to the study of mitochondrial encephalomyopathies. Brain. Pathol. 2, 113-119 (1992).
- Brierley, E. J., Johnson, M. A., Lightowlers, R. N., James, O. F., Turnbull, D. M. Role of mitochondrial DNA mutations in human aging: implications for the central nervous system and muscle. Ann. Neurol. 43, 217-223 (1998).
- Borthwick, G. M., Johnson, M. A., Ince, P. G., Shaw, P. J., Turnbull, D. M. Mitochondrial enzyme activity in amyotrophic lateral sclerosis: implications for the role of mitochondria in neuronal cell death. Ann. Neurol. 46, 787-790 (1999).
- Gellerich, F. N. Mitochondrial respiratory rates and activities of respiratory chain complexes correlate linearly with heteroplasmy of deleted mtDNA without threshold and independently of deletion size. Biochim. Biophys. Acta. 1556, 41-52 (2002).
- Larsson, N. G. Mitochondrial transcription factor A is necessary for mtDNA maintenance and embryogenesis in mice. Nat. Genet. 18, 231-236 (1998).
- Ekstrand, M. I. Progressive parkinsonism in mice with respiratory-chain-deficient dopamine neurons. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 104, 1325-1330 (2007).
- Seligman, A. M., Karnovsky, M. J., Wasserkrug, H. L., Hanker, J. S. Nondroplet ultrastructural demonstration of cytochrome oxidase activity with a polymerizing osmiophilic reagent, diaminobenzidine (DAB). J. Cell. Biol. 38, 1-14 (1968).
- Dubowitz, V., Brooke, M. Muscle Biopsy: A Modern Approach. , (1973).
- Cottrell, D. A. Cytochrome c oxidase deficient cells accumulate in the hippocampus and choroid plexus with age. Neurobiol. Aging. 22, 265-272 (2001).
- Blanco, C. E., Sieck, G. C., Edgerton, V. R. Quantitative histochemical determination of succinic dehydrogenase activity in skeletal muscle fibres. Histochem. J. 20, 230-243 (1988).
- Moraes, C. T., Ricci, E., Bonilla, E., DiMauro, S., Schon, E. A. The mitochondrial tRNA(Leu(UUR)) mutation in mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and strokelike episodes (MELAS): genetic, biochemical, and morphological correlations in skeletal muscle. Am. J. Hum. Genet. 50, 934-949 (1992).
- Petruzzella, V. Extremely high levels of mutant mtDNAs co-localize with cytochrome c oxidase-negative ragged-red fibers in patients harboring a point mutation at nt 3243. Hum. Mol. Genet. 3, 449-454 (1994).
- Tulinius, M. H., Holme, E., Kristiansson, B., Larsson, N. G., Oldfors, A. Mitochondrial encephalomyopathies in childhood. I. Biochemical and morphologic investigations. J. Pediatr. 119, 242-250 (1991).
- Haas, R. H. The in-depth evaluation of suspected mitochondrial disease. Mol. Genet. Metab. 94, 16-37 (2008).
