Enerji Substrat Oksidasyonunun In Vitro 14CO2 Trapping ile Değerlendirilmesi
Summary
Bu protokol, in vitro 14CO2 üretimini izleyerek substrat oksidasyonunu incelemek için kullanımı kolay bir yöntemi açıklar.
Abstract
Mitokondri, enerji homeostazını korumak için adenozin trifosfat (ATP) üreten trikarboksilik asit (TCA) döngüsü ve elektron taşıma zinciri (ETC) için makinelere ev sahipliği yapar. Glikoz, yağ asitleri ve amino asitler, çoğu somatik hücrede mitokondriyal solunumu besleyen başlıca enerji substratlarıdır. Kanıtlar, farklı hücre tiplerinin belirli substratlar için farklı bir tercihe sahip olabileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, iskeletteki çeşitli hücreler tarafından substrat kullanımı ayrıntılı olarak çalışılmamıştır. Ayrıca, hücresel metabolizma fizyolojik ve patofizyolojik değişikliklere uyum sağladığından, iskelet hücrelerinde substrat bağımlılığının doğrudan değerlendirilmesi, kemik hastalıklarının patogenezi hakkında önemli bilgiler sağlayabilir.
Aşağıdaki protokol, oksidatif fosforilasyonu takiben substrat moleküllerinden karbondioksit salınımı prensibine dayanmaktadır. Radyoaktif olarak etiketlenmiş karbon atomları (14C) içeren substratları kullanarak, yöntem hücre kültüründeki substrat oksidasyon oranı için hassas ve kullanımı kolay bir test sağlar. Primer kalvarial preosteoblastlara karşı kemik iliği kaynaklı makrofajlar (BMM’ler) ile yapılan bir vaka çalışması, iki hücre tipi arasındaki ana substratların farklı kullanımlarını göstermektedir.
Introduction
Ökaryotlardaki oksidatif fosforilasyon (OXPHOS), oksijen tüketimi yoluyla ATP şeklinde kimyasal enerjiyi serbest bırakmak için besinlerin mitokondri içinde parçalandığı işlemdir. Trikarboksilik asit (TCA) döngüsü yoluyla mitokondri içindeki çeşitli substratların katabolizması doğrudan az sayıda ATP molekülü üretir, ancak elektron taşıyıcıları nikotinamid adenin dinükleotid (NAD +) ve flavin adenin dinükleotidin (FAD +) indirgenmesi yoluyla enerji depolar. İndirgenmiş taşıyıcılar daha sonra membran boyunca bir proton konsantrasyon gradyanı oluşturmak için mitokondrinin iç zarında bulunan ETC tarafından oksitlenir. Protonlar sonunda ATP üretmek için gradyanlarını ATP sentaz yoluyla mitokondriyal matrise geri akarlar. OXPHOS, enerji substratlarından ATP üretiminin en verimli aracıdır ve genellikle aerobik ortamlarda tercih edilir. Önceden, aerobik glikolizin – oksijen mevcutken glikozdan laktat üretimi – patofizyolojik olduğu, genellikle kanser hücrelerinin bir işareti olduğu düşünülüyordu. Giderek daha fazla, bazı normal hücre tiplerinin henüz tam olarak deşifre edilmemiş nedenlerden dolayı aerobik glikoliz kullandığı keşfedilmektedir.
Metabolik esneklik, hücrelerin veya organizmaların değişen enerji taleplerine ve mevcut yakıt kaynaklarına uyum sağlama kapasitesidir. Örneğin, iskelet kasının enerjik talebi esas olarak sabit durumda OXPHOS tarafından karşılanır, ancak yüksek yoğunluklu egzersiz sırasında anaerobik glikoliz1. Egzersiz süresi arttıkça, glikoz ve yağ asidi oksidasyonu genel enerji üretimine daha fazla katkıda bulunur2. Bununla birlikte, substrat kullanımı sadece kullanılabilirliğe bağlı değildir, çünkü substratlar oksidasyon sırasında antagonistik olarak rekabet eder. En önemlisi, yağ asidi oksidasyonunun, Randle etkisi3 olarak bilinen bir fenomende iskelet kası tarafından glikoz kullanımını inhibe ettiği gösterilmiştir. Karşılıklı bir etki sonraki çalışmalarla gösterilmiştir 4,5. Ek olarak, birçok hastalık substrat tercihindeki bir değişiklik ve hücrelerde metabolik esnekliğin gelişmesi ile ilişkilidir. Örneğin, tip II diyabetik hastaların iskelet kasında yağ asidi oksidasyonu normal kontrol deneklerine kıyasla azalır6. Hastalık ortamlarındaki metabolik değişiklikler patogeneze katkıda bulunabileceği için yoğun bir araştırma konusudur.
İskelet hücre tiplerinde enerji metabolizması nispeten az çalışılmakla birlikte son yıllarda dikkat çekmektedir7. Önceki çalışmalar, aerobik glikolizin kalvarial osteoblastlarda baskın enerji yolu olduğunu, TCA döngüsü boyunca glikoz oksidasyonunun osteoklast oluşumunda rol oynadığını göstermiştir 8,9. Diğerleri, osteoblastlar için bir enerji kaynağı olarak yağ asitleri için kanıt sağlamıştır10. Glutamin katabolizmasının da osteoblast farklılaşmasını progenitörlerden11,12 desteklediği gösterilmiştir. Bununla birlikte, çeşitli iskelet hücresi tipleri tarafından substrat kullanımının kapsamlı bir şekilde anlaşılması hala eksiktir. Ek olarak, hücre farklılaşması sırasında veya patolojik sinyallere yanıt olarak hücresel metabolizmadaki değişikliklerin yakıt substrat kullanımını değiştirmesi beklenir. Aşağıda açıklanan, in vitro substrat oksidasyonunu test etmek için kullanımı kolay bir protokoldür.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokol, ana enerji substratlarının oksidasyon oranını belirlemek için kullanımı kolay bir yöntem sağlar. Merkezi bir kuyu içeren ve14,15,16 kauçuk tıpalarla kaplı şişeler kullanan diğer protokollere daha basit bir alternatiftir. Buradaki örnek çalışma hücre kültürü ile yapılmasına rağmen, yöntem daha önce tarif edildiği gibi doku eksplantları veya bozulmamış mitokondri içeren doku homojenatlar…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışma kısmen NIH hibe R01 AR060456 (FL) tarafından desteklenmiştir. Dr. Michael Robinson ve Elizabeth Krizman’a (Philadelphia Çocuk Hastanesi) parıltı sayacı konusundaki cömert yardımları için teşekkür ederiz.
Materials
| 0.22 µm filters | Sigma-Aldrich | SLGVM33RS | Used to filter BSA solution |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Gibco | 25200056 | Dissociate cells from cell culture plates |
| 1.5 mL Eppendorf tubes | PR1MA | PR MCT17 RB | Used for reaction incubation |
| 10 cm plates | TPP | 93100 | Used for cell culture |
| 10 mL syringe | BD | 302995 | Used to flush marrow from long bones |
| 10% FBS | Atlanta biologicals | S11550 | For Cell culture medium preparation |
| 14C-Glucose | PerkinElmer | NEC042X050UC | Used to make hot media |
| 14C-glutamine | PerkinElmer | NEC451050UC | Used to make hot media |
| 14C-oleate | PerkinElmer | NEC317050UC | Used to make hot media |
| 23 G needle | BD | 305120 | Used to flush marrow from long bones |
| 24-well plates | TPP | 92024 | Used for cell culture |
| 70 μm cell strainers | MIDSCI | 70CELL | Used to filter supernatant during cavarial digestion |
| Acridine Orange/Propidium Iodide (AO/PI) dye | Nexcelom Biosciences | CS2-0106 | Stains live cells to determine seed density |
| Bovine Serum Ablumin | Proliant Biologicals | 68700 | Used for fatty acid conjugation |
| Cellometer Auto 2000 | Nexcelom Biosciences | Determine the number of viable cells | |
| Centrifuge | Thermo Fisher | Legend Micro 21R | Used to pellet cells |
| Collagenase type II | Worthington | LS004176 | Dissociate cells from tissue |
| Custom MEM alpha | GIBCO | SKU: ME 18459P1 | Used to create custom hot media |
| Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline | Gibco | 10010023 | Used to dissolve and dilute reagents, and wash culture dishes |
| Filter Paper | Millipore-Sigma | WHA1001090 | Traps CO2 with sodium hydroxide |
| Glucose | Sigma-Aldrich | g7528 | Used to make custom media |
| HEPES | Gibco | 15630080 | Traps CO2 during cell culture |
| L-carnitine | Sigma-Aldrich | C0283 | Supplemented for fatty acid oxidation |
| L-Glutamine | Sigma-Aldrich | g3126 | Used to make custom media |
| MEM alpha | Thermo | A10490 | Cell culture medium |
| Parafilm | Pecheney Plastic Packaging | PM998 | Used to seal cell culture dishes |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | Prevents contamination in cell culture |
| Perchloric Acid | Sigma-Aldrich | 244252 | Releases CO2 during metabolic assay |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich | p5280 | Used to make custom media |
| Scintillation Counter | Beckman Coulter | LS6500 | Determines radioactivity from the filter paper |
| Scintillation Fluid | MP Biomedicals | 882453 | Absorb the energy emitted by RAMs and re-emit it as flashes of light |
| Scintillation Vial | Fisher Scientific | 03-337-1 | Reaction containers for scintillation fluid |
| Sodium carbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | Balance buffer for medium |
| Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 58045 | Traps CO2 during metaboilc assay |
| Sodium oleate | SANTA CRUZ | SC-215879 | BSA conjugated fatty acid preparation |
| Vaccum filtration 1000 | TPP | 99950 | Filter cMEMα |
Riferimenti
- Hargreaves, M., Spriet, L. L. Skeletal muscle energy metabolism during exercise. Nature Metabolism. 2 (9), 817-828 (2020).
- Jeukendrup, A. E. Regulation of fat metabolism in skeletal muscle. Annals of the New York Academy of Sciences. 967, 217-235 (2002).
- Randle, P. J., Garland, P. B., Hales, C. N., Newsholme, E. A. The glucose fatty-acid cycle. Its role in insulin sensitivity and the metabolic disturbances of diabetes mellitus. Lancet. 1 (7285), 785-789 (1963).
- Randle, P. J., Newsholme, E. A., Garland, P. B. Regulation of glucose uptake by muscle. 8. Effects of fatty acids, ketone bodies and pyruvate, and of alloxan-diabetes and starvation, on the uptake and metabolic fate of glucose in rat heart and diaphragm muscles. Biochemical Journal. 93 (3), 652-665 (1964).
- Taegtmeyer, H., Hems, R., Krebs, H. A. Utilization of energy-providing substrates in the isolated working rat heart. Biochemical Journal. 186 (3), 701-711 (1980).
- Cha, B. S., et al. Impaired fatty acid metabolism in type 2 diabetic skeletal muscle cells is reversed by PPARgamma agonists. American Journal of Physiology. Endocrinology and Metabolism. 289 (1), 151-159 (2005).
- Lee, W. C., Guntur, A. R., Long, F., Rosen, C. J. Energy metabolism of the osteoblast: implications for osteoporosis. Endocrine Reviews. 38 (3), 255-266 (2017).
- Li, B., et al. Both aerobic glycolysis and mitochondrial respiration are required for osteoclast differentiation. FASEB Journal. 34 (8), 11058-11067 (2020).
- Lee, W. C., Ji, X., Nissim, I., Long, F. Malic enzyme couples mitochondria with aerobic glycolysis in osteoblasts. Cell Reports. 32 (10), 108108 (2020).
- Kim, S. P., et al. Fatty acid oxidation by the osteoblast is required for normal bone acquisition in a sex- and diet-dependent manner. JCI Insight. 2 (16), 92704 (2017).
- Yu, Y., et al. Glutamine metabolism regulates proliferation and lineage allocation in skeletal stem cells. Cell Metabolism. 29 (4), 966-978 (2019).
- Karner, C. M., Esen, E., Okunade, A. L., Patterson, B. W., Long, F. Increased glutamine catabolism mediates bone anabolism in response to WNT signaling. The Journal of Clinical Investigation. 125 (2), 551-562 (2015).
- Takeshita, S., Kaji, K., Kudo, A. Identification and characterization of the new osteoclast progenitor with macrophage phenotypes being able to differentiate into mature osteoclasts. Journal of Bone and Mineral Research. 15 (8), 1477-1488 (2000).
- Itoh, Y., et al. Dichloroacetate effects on glucose and lactate oxidation by neurons and astroglia in vitro and on glucose utilization by brain in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (8), 4879-4884 (2003).
- Oba, M., Baldwin, R. L. 4. t. h., Bequette, B. J. Oxidation of glucose, glutamate, and glutamine by isolated ovine enterocytes in vitro is decreased by the presence of other metabolic fuels. Journal of Animal Science. 82 (2), 479-486 (2004).
- Esen, E., Lee, S. Y., Wice, B. M., Long, F. PTH promotes bone anabolism by stimulating aerobic glycolysis via IGF signaling. Journal of Bone and Mineral Research. 30 (11), 1959-1968 (2015).
- Huynh, F. K., Green, M. F., Koves, T. R., Hirschey, M. D. Measurement of fatty acid oxidation rates in animal tissues and cell lines. Methods in Enzymology. 542, 391-405 (2014).
- Hodson, L., Skeaff, C. M., Fielding, B. A. Fatty acid composition of adipose tissue and blood in humans and its use as a biomarker of dietary intake. Progress in Lipid Research. 47 (5), 348-380 (2008).
- Abdelmagid, S. A., et al. Comprehensive profiling of plasma fatty acid concentrations in young healthy Canadian adults. PLoS One. 10 (2), 0116195 (2015).
