ウマ骨格筋の高分解能蛍光呼吸測定
Summary
馬は並外れた有酸素運動能力を持っているため、馬の骨格筋は、馬の運動生理学と哺乳類のミトコンドリア生理学の両方の研究にとって重要な組織となっています。この記事では、馬の骨格筋におけるミトコンドリア機能の包括的な評価のための技術について説明します。
Abstract
ミトコンドリアの機能(酸化的リン酸化と活性酸素種の生成)は、健康と病気の両方において重要です。したがって、ミトコンドリア機能の測定は生物医学研究の基本です。骨格筋は、特に馬などの非常に高い有酸素能力を持つ動物において、ミトコンドリアの強力な供給源であり、ミトコンドリア生理学を研究するための理想的な対象となっています。この記事では、採取したばかりの骨格筋ミトコンドリアを使用した同時蛍光測定を伴う高分解能呼吸留置法を使用して、さまざまなミトコンドリア状態下で基質を酸化する能力を定量化し、ミトコンドリア呼吸の異なる要素の相対容量を決定する方法を示します。テトラメチルローダミンメチルエステルは、同時酸素フラックスの単位あたりに生成される相対膜電位を計算することによるミトコンドリアの相対効率の計算を含む、基質酸化に起因するミトコンドリア膜電位の生成を実証するために使用されます。ADPからATPへの変換は、マグネシウムに対するアデニル酸塩の親和性が異なるため、反応チャンバー内のマグネシウム濃度の変化をもたらします。したがって、マグネシウムグリーンを使用してATP合成速度を測定することができ、酸化的リン酸化効率(リン酸化と酸化の比率[P / O])をさらに計算できます。最後に、過酸化水素と組み合わせると蛍光生成物(レゾルフィン)を生成するAmplex UltraRedを使用することで、ミトコンドリア呼吸中の活性酸素種の産生、およびROS産生と同時呼吸の関係を定量化できます。これらの技術は、さまざまな異なるシミュレート条件下でのミトコンドリア生理機能の堅牢な定量を可能にし、健康と病気の両方に対するこの重要な細胞成分の寄与に光を当てます。
Introduction
真核細胞のミトコンドリアは、細胞が仕事と維持に使用するATPの大部分を産生します1。ATPのミトコンドリア産生における重要なステップは、酸素から水への変換であり、したがって、ミトコンドリアおよび関連細胞の代謝能力は、酸素消費量の測定を通じて頻繁に定量化されます2。しかし、ミトコンドリア生理学は酸素消費の単純なプロセスよりも複雑であり、このエンドポイントへの依存は、ミトコンドリア機能と機能障害が細胞の健康に与える影響の不完全な評価のみを提供します。ミトコンドリア機能の完全な特性評価には、酸素消費量だけでなく、ATPおよび活性酸素種(ROS)の産生も評価する必要があります。
重要なミトコンドリア機能の追加測定は、特定の蛍光色素を使用して呼吸の測定と同時に達成することができます。テトラメチルローダミンメチルエステル(TMRM)は、ミトコンドリア膜貫通電位に比例してミトコンドリアマトリックスに蓄積するカチオン性蛍光団であり、この蓄積により蛍光強度が低下します3。TMRMは、ミトコンドリア膜電位の相対的変化の指標として使用することも、蛍光シグナルをmVに変換することを可能にする定数を決定するための追加の実験により膜貫通電圧の正確な変化を定量化するために使用することもできます。マグネシウムグリーン(MgG)は、Mg2+と結合すると蛍光を発する蛍光色素であり、マグネシウム二価陽イオン4に対するADPとATPの示差親和性に基づくATP合成の測定に使用されます。研究者は、特定の分析条件下でADPとATPの両方の特定の親和性/解離定数(Kd)を決定し、 MgG蛍光の変化をATP濃度の変化に変換します。アンプレックスUltraRed(AmR)は、ミトコンドリア呼吸中の過酸化水素およびその他のROSの生成を測定するために使用される蛍光色素です5。H 2 O2とAmR(西洋ワサビペルオキシダーゼによって触媒される)との間の反応は、530nMの蛍光によって検出可能なレゾルフィンを生成する。これらのアッセイのそれぞれを、ミトコンドリア生理学のそれぞれの側面の同時測定を提供するために、リアルタイムのミトコンドリア呼吸のアッセイに個別に追加することができ、したがって、呼吸とミトコンドリア出力との間の直接的なリンクを提供する。
馬は、馬の骨格筋のミトコンドリア含有量が非常に高いこともあり、質量特異的酸素消費量が非常に高いため、この組織はミトコンドリア生理学の研究に非常に関連性があります。高解像度の肺活量測定の開発により、この新しい技術を使用した研究は、馬の顕著な運動能力と骨格筋疾患の病態生理学の両方に対する馬の骨格筋ミトコンドリアの寄与を定義するのに役立ちました6,7,8,9,10,11,12,13,14 .ウマ骨格筋ミトコンドリア機能の研究は、この組織を大量に得ることが非終末であるため、特に有利である。したがって、ウマの被験者は、ミトコンドリア機能の完全な特徴付けに十分な組織を提供するだけでなく、ミトコンドリア生理学に関する高品質で機械的な研究のための縦断的コントロールとしても機能します。このため、ウマ骨格筋におけるミトコンドリア生理学のより堅牢な特徴付けを提供するために、ミトコンドリア膜電位、ATP合成、およびこの組織における酸素消費量の測定を補完するROSの産生を定量化するための追加のアッセイが開発されました。
Protocol
Representative Results
Discussion
高分解能呼吸計の標準出力に蛍光信号を追加することで、ミトコンドリア生理学に関する貴重な情報が得られますが、高品質のデータには蛍光信号の綿密な校正が不可欠です。MgGを使用するための元のプロトコルは、マグネシウム-アデニル酸解離定数の計算中に生成された検量線が後続のアッセイに適用できることを示唆しています4。しかしながら、MgGからの蛍光シグナ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、馬のスポーツ医学のためのジョンとデビーオクスリー寄付講座とグレイソンジョッキークラブ研究財団の寛大な支援に感謝したいと思います。
Materials
| ADP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A5285 | |
| Amplex UltraRed | Life Technologies | A36006 | |
| ATP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A2383 | |
| BSA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A6003 | |
| Calcium carbonate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C4830 | |
| CCCP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C2759 | |
| DatLab 7.0 | Oroboros Inc | Software to operate O2K fluororespirometer | |
| Dithiothreitol | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D0632 | |
| DTPA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D1133 | |
| EGTA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | E4378 | |
| Glutamate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | G1626 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | H7523 | |
| Horseradish peroxidase | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P8250 | |
| Hydrogen peroxide | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 516813 | Must be made fresh daily prior to assay |
| Imidazole | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | I2399 | |
| K-MES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M8250 | |
| Magnesium chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M9272 | |
| Magnesium Green | Thermo Fisher Scientific | M3733 | |
| Malate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M1000 | |
| Mannitol | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M9647 | |
| Mitochondrial isolation kit | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | MITOISO1 | |
| O2K fluororespirometer | Oroboros Inc | Multiple units required to run full spectrum of assays concurrently. | |
| Phosphocreatine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P7936 | |
| Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P1767 | |
| Potassium lactobionate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | L2398 | |
| Potassium phosphate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P0662 | |
| Pyruvate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P2256 | Must be made fresh daily prior to assay |
| Rotenone | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | R8875 | |
| Succinate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S2378 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 84097 | |
| Superoxide dismutase | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S8160 | |
| Taurine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T0625 | |
| Titration pump | Oroboros Inc | ||
| Titration syringes | Oroboros Inc | ||
| TMRM | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T5428 | |
| UCH biopsy needle | Millenium Surgical Corp | 72-238067 | Available in a range of sizes |
References
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