ויזואליזציה של תפקודי נשימה מיטוכונדריאלי באמצעות ציטוכרום C מונואמין / succinate dehydrogenase (COX / SDH) תיוג פעמיים Histochemistry
Summary
ציטוכרום c אוקסידאז / נתרן דהידרוגנז (COX / SDH) פעמיים תיוג השיטה מאפשרת להדמיה ישירה של המיטוכונדריה אנזים ליקויים בדרכי הנשימה טרי קפוא סעיפים רקמות. זוהי טכניקה פשוטה histochemical שימושי חוקרת מחלות מיטוכונדריאליות, הזדקנות, הזדקנות בהפרעות הקשורות.
Abstract
דנ"א מיטוכונדריאלי (mtDNA) ליקויים הם גורם חשוב של המחלה וייתכן ביסוד הזדקנות מהזדקנות 1,2 שינויים. התיאוריה המיטוכונדריה של הזדקנות מציע תפקיד מוטציות mtDNA, אשר יכול לשנות הומאוסטזיס bioenergetics ותפקוד התא, בתהליך ההזדקנות 3. שפע של עדויות כבר מלוקט תמיכה 1,4 זה בתיאוריה, להיות דוגמה המוטטורי mtDNA עכבר 5, אך את התפקיד המדויק של הנזק mtDNA בהזדקנות הוא לא הבין לגמרי 6,7.
התבוננות את הפעילות של אנזימים הנשימה היא גישה פשוטה לחקירת תפקוד המיטוכונדריה. קומפלקס IV, או ציטוכרום אוקסידאז ג (COX), חיוניים לתפקוד המיטוכונדריה. יחידות משנה קטליטי של COX מקודדים על ידי mtDNA חיוניים להרכבה של המתחם (איור 1). לפיכך, סינתזה לתפקוד תקין והם מבוססים במידה רבה על mtDNA שלמות 2.למרות מתחמי נשימתיות אחרות יכול להיחקר, מתחמי IV ו-II הם נוחים ביותר לבחינה histochemical 8,9. קומפלקס II, או דהידרוגנז succinate (SDH), מקודד כולו על ידי ה-DNA גרעיני (איור 1), ואת הפעילות שלה הוא בדרך כלל לא מושפעים לקויי mtDNA, למרות עלייה עשויים להצביע biogenesis המיטוכונדריה 10-12. MtDNA לקויי שנצפתה מחלות מיטוכונדריאליות, ההזדקנות, מחלות הקשורות לגיל מוביל לעתים קרובות נוכחות של תאים עם פעילות COX נמוך או נעדר 2,12-14. למרות פעילות COX ו SDH יכול להיחקר בנפרד, שיטת רציפים פעמיים תיוג 15,16 הוכיח את יתרון באיתור תאים עם תפקוד המיטוכונדריה 12,17-21.
רבים מן החוקות אופטימלי של assay נקבעו, כגון ריכוז המצע, acceptors האלקטרון / תורמים, נושאות אלקטרון ביניים, ההשפעה של ה-pH, ו-t התגובהIME 9,22,23. 3,3 '-diaminobenzidine (DAB) הוא תורם אלקטרון יעיל ואמין 22. בתאים עם תפקוד COX, המוצר פולימר חום indamine יהיה להתמקם cristae המיטוכונדריה ו להרוות תאים 22. תאים אלה עם COX מתפקדת ולכן לא יהיה רווי ידי DAB המוצר, המאפשר הדמיה של פעילות SDH על ידי הפחתה של nitroblue tetrazolium (NBT), acceptor האלקטרון, למוצר formazan כחול סוף 9,24. ציטוכרום C ו succinate מצעים נתרן מתווספים לנרמל את רמות אנדוגני מלאה בין חולה / מוטציה רקמות 9. Catalase נוסף כאמצעי זהירות, כדי למנוע זיהום אפשרי התגובות מפעילות peroxidase 9,22. Methosulfate Phenazine (PMS), נושאת אלקטרון ביניים, הוא משמש יחד עם אזיד הנתרן, מעכב שרשרת הנשימה, כדי להגביר את היווצרותם של תוצרי התגובה הסופית 9,25. למרות זאת להודיעation, כמה פרטים קריטיים המשפיעים על התוצאה של assay זה פשוט נאה, בנוסף שולטת הספציפיות התקדמות הטכניקה, טרם הציג.
Protocol
Discussion
השיטה המשולבת COX / SDH histochemical מאפשרת ויזואליזציה של תאים בעלי תפקוד המיטוכונדריה. טכניקה זו, עם מחקרים מוקדמים שראשיתה 1968, נותר פופולרי, עם הרבה בהתחשב בכך את "תקן הזהב" לזיהוי מחלות מיטוכונדריאליות בחולים 14,19,26,27. עכשיו זה משמש לעתים קרובות כדי לחקור mtDNA מוטצ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי להזדקנות (AG04418), המכון הלאומי לשימוש בסמים, המכון הלאומי לבריאות, קרולינסקה תוכנית Institutet שותפויות בוגר, קרולינסקה Institutet, שוודית מועצת המחקר, כוח המוח שוודית, קרן המוח שוודית. תודות רבות Mattias קרלן, ד"ר ג'וזפה Coppotelli לתמיכה יצירתי עם איור 1 ו – 2, בהתאמה; קארין Pernold לקבלת סיוע טכני; ואת בני הזוג. בארי ג'יי הופר, לארס אולסון, נילס, גוראן לארסון עבור עצות מועילות דיון רב.
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 |
Referências
- 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).
