Visualisierung der mitochondrialen Atmungskette Funktion mit Cytochrom C Oxidase / Succinat-Dehydrogenase (COX / SDH) Double-Kennzeichnung Histochemie
Summary
Die Cytochrom-c-Oxidase / Natrium-Dehydrogenase (COX / SDH) Doppel-Kennzeichnung Methode erlaubt die direkte Visualisierung der mitochondrialen Atmungskette Enzymmangel in frisch-gefrorenen Gewebeschnitten. Dies ist eine einfache histochemische Technik und ist nützlich bei der Untersuchung mitochondrialer Krankheiten, Alterung und altersbedingte Erkrankungen.
Abstract
Mitochondriale DNA (mtDNA) Mängel sind eine wichtige Ursache von Krankheit und kann zugrunde liegen, Alterung und altersbedingte Veränderungen 1,2. Die mitochondrialen Theorie des Alterns legt eine Rolle für die Mutationen der mtDNA, die Bioenergetik Homöostase und zelluläre Funktion zu ändern, in dem Alterungsprozess 3 können. Eine Fülle von Beweisen zur Stützung dieser Theorie 1,4, ein Beispiel ist die mtDNA Mutator Maus 5 zusammengestellt worden, jedoch ist die genaue Rolle von mtDNA Schaden in alternden nicht ganz verstanden 6,7.
Die Beobachtung der Tätigkeit der Atemwege Enzyme ist ein einfacher Ansatz für die Untersuchung mitochondriale Dysfunktion. Komplex IV, oder Cytochrom c Oxidase (COX), ist essentiell für die Funktion der Mitochondrien. Die katalytischen Untereinheiten der COX durch mtDNA codiert und sind für die Montage der Anlage (Abbildung 1) von wesentlicher Bedeutung. So sind richtige Synthese und Funktion weitgehend auf mtDNA Integrität 2.Obwohl auch andere respiratorische Komplexe untersucht werden konnte, sind Komplexe IV und II die meisten zugänglich histochemische Untersuchung 8,9. Complex II oder Succinat-Dehydrogenase (SDH), ist vollständig von Kern-DNA (Abbildung 1) kodiert, und seine Aktivität ist in der Regel nicht durch eine Störung der mtDNA betroffen, obwohl ein Anstieg mitochondrialen Biogenese 10-12 hindeuten könnten. Die gestörte mtDNA beobachtet in der mitochondrialen Krankheiten, Alterung und altersbedingter Krankheiten führt oft auf die Anwesenheit von Zellen mit geringer oder fehlender COX-Aktivität 2,12-14. Obwohl COX-und SDH-Aktivitäten einzeln untersucht werden können, hat die sequentielle Doppel-Kennzeichnung Methode 15,16 erwies sich bei der Suche nach Zellen mit mitochondriale Dysfunktion 12,17-21 vorteilhaft.
Viele der optimalen Verfassung des Assays ermittelt worden sind, wie Substratkonzentration, Elektronen-Akzeptoren / Geber-, Zwischen-Elektronen-Carrier, Einfluss von pH-Wert, und die Reaktion time 9,22,23. 3,3 '-Diaminobenzidin (DAB) ist eine effektive und zuverlässige Elektronendonator 22. In Zellen mit funktionierendem COX, wird die braune Indamin Polymerprodukt in der mitochondrialen Cristae lokalisieren und zu sättigen Zellen 22. Diejenigen Zellen, die mit dysfunktionalen COX wird daher nicht von der DAB Produkt gesättigt sein, so dass für die Visualisierung von SDH-Aktivität durch Reduktion von Nitroblautetrazolium (NBT), einen Elektronenakzeptor, zu einem blauen Formazan Endprodukt 9,24. Cytochrom c und Natriumsuccinat Substrate werden hinzugefügt, um endogene Werte zwischen Steuerung und kranken / mutierten Gewebe 9 normalisieren. Katalase ist als Vorsichtsmaßnahme, um mögliche Verunreinigung Reaktionen von Peroxidaseaktivität 9,22 vermeiden aufgenommen. Phenazinmethosulfat (PMS), einem Zwischenprodukt Elektronen-Carrier, wird in Verbindung mit Natriumazid, eine Atmungskette Inhibitor, der zur Bildung des endgültigen Reaktionsprodukte 9,25 zu erhöhen. Trotz dieser KenntnisATION, einige wichtige Details, die die Folge dieser schicklich einfache Test, zusätzlich zur Spezifität Kontrollen und Fortschritte in der Technik, noch nicht vorgestellt worden.
Protocol
Discussion
Die kombinierte COX / SDH histochemische Methode ermöglicht die Visualisierung von Zellen mit mitochondriale Dysfunktion. Diese Technik, die mit früheren Studien aus dem Jahr 1968, nach wie vor beliebt, mit vielen bedenkt es den "Goldstandard" zur Erkennung mitochondrialer Erkrankungen bei Patienten, 14,19,26,27. Es ist jetzt häufig verwendet, um mtDNA-Mutation-driven Altern und altersbedingte Erkrankungen 12,13,18,20,21,24 untersuchen. Die COX / SDH Doppel-Kennzeichnung wird häufig p…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom National Institute of Aging (AG04418), National Institute on Drug Abuse, National Institute of Health-Karolinska Institutet Graduate Partnerships Program, Karolinska Institutet, Schweden Research Council, Schwedisch Brain Power und Schwedisch Brain Foundation unterstützt. Vielen Dank an Mattias Karlen und Dr. Giuseppe Coppotelli für kreative Unterstützung bei der Abbildung 1 und 2 zeigen; Karin Pernold für technische Hilfe und Drs. Barry J. Hoffer, Lars Olson, und Nils-Göran Larsson für viele hilfreiche Ratschläge und Diskussion.
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).
