Summary

体外体内检测人类细胞中的 Mitophagy,线虫和小鼠

Published: November 22, 2017
doi:

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。

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。

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 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?…

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…

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?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

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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).

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