고해상도 호흡율은 투과성이 그대로 세포에서 미토콘드리아 기능을 평가하는
Summary
고해상도 호흡율은 미토콘드리아의 산소 소비를 결정하는 데 사용된다. 이것은 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체 '(I-IV) 호흡 속도, 최대 미토콘드리아 전자 전달계 용량 및 미토콘드리아 외막 무결성을 결정하기위한 간단한 기술이다.
Abstract
A high-resolution oxygraph is a device for measuring cellular oxygen consumption in a closed-chamber system with very high resolution and sensitivity in biological samples (intact and permeabilized cells, tissues or isolated mitochondria). The high-resolution oxygraph device is equipped with two chambers and uses polarographic oxygen sensors to measure oxygen concentration and calculate oxygen consumption within each chamber. Oxygen consumption rates are calculated using software and expressed as picomoles per second per number of cells. Each high-resolution oxygraph chamber contains a stopper with injection ports, which makes it ideal for substrate-uncoupler-inhibitor titrations or detergent titration protocols for determining effective and optimum concentrations for plasma membrane permeabilization. The technique can be applied to measure respiration in a wide range of cell types and also provides information on mitochondrial quality and integrity, and maximal mitochondrial respiratory electron transport system capacity.
Introduction
미토콘드리아 특히 아데노신 삼인산 (ATP)를 생산하기 위해 산소를 사용하여, 세포 에너지 대사에서 중요한 역할을 수행. 그들은 세포 사멸에 여러 인간의 질병에 연루되어있다. 미토콘드리아의 산화 적 인산화 (OXPHOS)은 산소 소모와 ATP 합성과 전자 전달계 따라 전자 수송층을 결합한다. 미토콘드리아 트리 카르 복실 산 (TCA) 사이클은 니코틴 아미드 아데닌 디 뉴클레오티드 (NADH)과 플라 빈 아데닌 디 뉴클레오티드 등 에너지 풍부한 화합물 (FADH 2)에 단백질, 탄수화물과 지방의 변환에 참여하고있다. NADH와 FADH 2의 전자가 다음 호흡 전자 수송 체인 단백질 복합체로 전송됩니다 (I는 IV합니다) 미토콘드리아 내막에 있습니다. 또한, 두 개의 다른 산화 환원 경로가 전송 체인을 전자에 전자를 전송할 수 있습니다 : ⅰ) 미토콘드리아 전자 전송 flavoprotein (ETF)를 내부 미토의 행렬면에 위치지방산 β 산화에서 chondrial 막 및 소모품 전자; 및 ⅱ) 디 히드 록시 아세톤 포스페이트를 글리세로 산화하고, 미토콘드리아의 전자 전달계에 전자를 공급 글리세 미토콘드리아 탈수소 효소. 복합 IV (최종 전자 수용체)가 2 분자의 물에 산소를 변환 한 산소 분자에 전자를 전송한다. I는 IV로 호흡 전자 전달계 착체에서 전자의 이동이 미토콘드리아 내막에 걸쳐 전기 화학적 구배를 설정 막간 공간 미토콘드리아 매트릭스에서 양성자의 흐름으로 결합된다. 이후, 미토콘드리아 복잡한 V (ATP 신타) 위로 미토콘드리아 매트릭스 내로 수소 이온 및 ATP를 왕복 분자를 합성한다. OXPHOS 함수를 얻을 수있는 다양한 기술과 다양한 미토콘드리아 호흡 상태를 사용하여 생체 내 및 시험관 내에서 평가할 수있다. 격리 된 미토콘드리아 다음 respirato에서RY 상태가 측정 될 수있다 : ⅰ) 기부 미토콘드리아 호흡 (주 1) 미토콘드리아 호흡 쇄 단지 특정 기질을 첨가 한 후, ⅱ) 산소 소비량 (주 2) ⅲ) 최대 미토콘드리아 산소 소비량의 농도를 포화의 추가 후에 아데노신이 인산 (ADP) (주 3), ATP로 변환 ADP 소비 (후 ⅳ) 휴식 호흡) (주 4). 그대로 셀에 다음과 같은 호흡 상태를 측정 할 수있다 : ⅰ) 기저 세포의 산소 소비 내생 기판과 ADP의 존재, ⅱ) oligomycin의 존재 기저 세포의 산소 소비 (oligomycin를 구분 호흡) 및 oligomycin에 민감한 호흡 (ATP 회전율) antimycin A 및 로테 논을 첨가 한 후, III) FCCP 비결 호흡 및 IV) 비 미토콘드리아 호흡. 투과성이 셀에서, 전자 전달계 착체와 ADP의 특정 기질을 첨가하고, 최대 복잡한 의존 호흡 등급의 수UCH와 같은 복잡한 I-은, II-및 IV-따라 호흡 속도는 측정 할 수있다.
세포 호흡의 측정은 단지 I-IV, 미토콘드리아 무결성과 에너지 대사 1, 2, 3에 특정 미토콘드리아의 호흡 능력에 중요한 통찰력을 제공합니다. 고정밀, 해상도 및 감도가 미토콘드리아의 산소 소비량의 측정을 가능하게하는 장치 중 하나가 고해상도 oxygraph 4이다. 고해상도 oxygraph 장치는 주입 포트와 두 개의 챔버를 포함하고, 각 챔버는 폴라 산소 센서가 장착된다. 셀룰러 또는 격리 된 미토콘드리아 현탁액은 호흡계에 지속적으로 교반된다. 미토콘드리아 복잡한 활동 미토콘드리아 기능, 기판 및 억제제를 평가하기 위해 표준 프로토콜 다음 추가 할 수 있습니다. 기질 및 억제제 주입 INT으로 적정 할 수있다상기 oxygraph의 실, 산소 소비 속도 O를 소프트웨어를 사용하여 계산하고 세포의 수를 초당 picomoles로 표시됩니다. 고해상도 호흡율이 증가 감도 및 손상 또는 투과성이 세포와 같은 생물학적 시료의 작은 숫자와 함께 작동하는 기능을 포함하여 전통과 기존의 폴라 산소 전극 장치에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 또한, 각 장치는 두 개의 챔버를 포함하고, 호흡 속도는 산소 농도의 비교를 동시에 기록 할 수있다. 고해상도 oxygraph는 전통적인 산소 폴라 전극 장치에 비해 장치의 챔버에서의 산소 환원 누설의 이점을 갖는다. 최근 셀룰러 산소 소비를 측정하기 위해 개발 된 또 다른 장치는 96 웰 세포 유동 분석기 5이다. 세포 외 플럭스 분석기 대신 폴라 센서의 형광을 갖추고 있습니다. 외의 장점고해상도 oxygraph I이다)은 II)가 24 및 고 처리량 스크리닝을위한 96 개의 웰 플레이트에서 산소 소비를 측정하는 것이 가능하고, 크게 자동화 된 장치에 비해 플럭스 분석 따라서 생물학적 샘플의 하부 양을 필요 및 ⅲ) 휴대 당분 플럭스의 추가 측정이 가능합니다. 고해상도 oxygraph에 비해 세포 외 플럭스 분석기의 단점) 장치와 같은 비 재사용 형광 플레이트와 같은 소모품의 고비용 I를, 그리고 ⅱ) 분석 당 네 화합물 / 웰 주사있다 따라서 시스템은 기판 uncoupler 억제제 적정 프로토콜 가능하지 않습니다.
본 연구에서는 미토콘드리아 호흡을 결정하는 고분해능 호흡율을 사용한다. 셀룰러 산소 소비 실험을 위해, 세포 complexe에 전자를 공급하기위한 외인성 ADP와 산화 미토콘드리아 기질의 진입을 허용하는 투과성이있다호흡기의의. 이 방법은 (많은 기판 세포 impermeant 있습니다) 손상 세포에 비해 뚜렷한 장점입니다 개인 미토콘드리아 단지 호흡 용량의 해부를 할 수 있습니다. 그러나, 세포막 permeabilization은 세포 외 배지로 평형화 세포질 및 세포 외 공간 매질 (세포질 용질 세척) 및 세포 내 공간의 조성물의 장벽을 방해 할 것이다. 손상 된 세포 투과성이 세포의 단점 중 하나는 세제 과량 셀 permeabilization 중에 사용될 경우 미토콘드리아 외막이 손상 될 수 있다는 것이다. 완전한 세포, 기저은 그대로 세포의 결합 및 비 결합 된 호흡을 측정 할 수있다. 이 방법은 통합 된 셀의 호흡 기능을 재생하며 최대 미토콘드리아 전자 견인에 대한 정보를 제공하는 외인성 기질 및 ADP의 첨가없이 그대로 세포의 산소 소비량을 평가RT 용량 6, 7. 투과성이 셀 위에 그대로 셀의 장점 중 하나는 셀룰러 환경이 파괴되지 않고, 미토콘드리아는 세포의 전체 성분과 접촉한다는 것이다. 세포 원형질막 Permeabilize 하시려면 위해 이러한 디기 토닌 세제 8을 사용 하였다. 디기 토닌 과도한 양이 이용되는 경우에는, 미토콘드리아 외막 완전성이 손상 될 수있다. 세포 투과성이 손상되지 않도록 미토콘드리아 외막의 무결성을 확인하기 위해, 디기 토닌 적정 셀룰러 permeabilization 대한 최적 농도를 결정하기 위해 수행된다. 이 실험을 위해, 세포 호흡 배지에 재현 탁하고 디기 토닌 농도를 측정하고 미토콘드리아 기질 및 ADP 및 호흡 비율의 존재하에 호흡율으로 적정한다. 본래 비 투과성이 세포 호흡 mitocho의 존재 하에서 자극되지ndrial 기판 및 ADP. 그러나, 이후 단계적 디기 토닌 적정 플라즈마 막 점진적 permeabilization 수율 것이고, 최적의 디기 토닌 농도가 얻어진다. 이는 전체 permeabilization에 호흡까지의 증가에 의해 표시됩니다. 품질 및 미토콘드리아 외막 무결성 외인성 시토크롬 C (2), (9)를 첨가하여 확인할 수있다. 시토크롬 C는 미토콘드리아 전자 전달계 10, 11, 12 및 12 kDa의 전자 운반 단백질이다. 이 미토콘드리아 막간 공간에서 지역화, 복잡한 IV 복잡한 III에서 전자를 운반, 산소 소비에 참여하고있다. 미토콘드리아 외막이 손상되면, 시토크롬 C가 해제되고, 미토콘드리아의 산소 소비량이 감소된다. 외인성 시토크롬 C를 첨가하면, 미토콘드리아의 호흡에있는 증가는 나타낸다미토콘드리아 외막을 중단.
투과성이 세포, 기질 및 미토콘드리아 복잡한 활동의 억제에서 다양한 프로토콜 3, 9 다음에 추가됩니다. 미토콘드리아 호흡 복잡한 구동 비율을 조사하기 위해, 예를 들어, 다음의 프로토콜을 사용할 수있다. 세포 투과성으로 한 후, 제 복합체 I은 호흡 사슬 기판으로서 NADH를 생성 한 이후, ADP는 ATP (주 3 중으로 전환 첨가 복잡한 I.의 활성화를 자극 기판 말산 및 글루타메이트에 의해 자극 복잡한 I-따라 호흡). 안정된 신호가 도달하면, 로테 논은 (미토콘드리아 복잡한 내가 억제제) 로테 논은 FADH 2 숙시 네이트 뒤에 복잡한 I.을 억제하고 복잡한 II (주 3, 활성 복잡한 II에 의존하는 호흡)을 활성화하기 위해 투여된다. 복잡한 IV 의존 호흡 제 복합체 III을 측정하기 위해,의존성은 호흡 antimycin의 A (미토콘드리아 복합 III 억제제)을 추가함으로써 억제된다. 그 후, 복잡한 IV에 의존하는 호흡은 아스코르브 산염과 tetramethylphenylendiamine (TMPD)을 투여하여 자극한다. TMPD 따라서 최대 복잡한 IV 의존 호흡률 (주 3) 이전에 아 지드 화 나트륨, 미토콘드리아 복잡한 IV 억제제의 첨가 후 호흡 속도를 감산함으로써 계산되고, 호흡 버퍼에 자동 산화 할 수있다. 호흡 실험은 대조군 (자극되지 않은 세포)로서 병렬 하나의 oxygraph 두 챔버, 다른 함유 자극 세포에서 수행 될 수있다. 이들 산소 소비량이 oxygraph 챔버 측정 전에 물론, 세포는 미토콘드리아 기능에 영향을주는 약물, 예를 들면 다양한 방법으로 사전 처리 될 수있다. 이 프로토콜은 개별 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체의 기능 시험을 허용한다. 또한, 하나의 최대 ADP를 자극 측정 할호흡 팔미 형태 외인성 지방산을 이용하여 투과성이 세포의 (상태 3). (1 몰비 팔미 테이트 : BSA 6)이 프로토콜에서, 소듐 팔미 테이트의 농축 주식 울트라 지방산 자유 소 혈청 알부민 (BSA)와 접합된다. 이후, 제 디기 토닌 및 미토콘드리아 호흡으로 투과성이있다 세포 카르니틴의 첨가에 의해 평가되고, ADP (주 3 최대 호흡)을 첨가하여 팔미 테이트. 그리고,이 상태 oligomycin 4 (주 4O) 및 호흡 조절 비율 (RCR 값)을 모방하기 위해 추가 상태 3 / 상태를 40으로 산출된다. β 산화는 전자 전송 flavoprotein 및 β 히드 록시 – 부티 릴 CoA 탈수소 효소에 의해 전자 전달계에 전달되는 전자 어느 FADH 2 NADH의 (TCA 사이클에 진입) 아세틸 CoA를 제작 및 생성을 촉진한다. 미토콘드리아 팔미-BSA 프로토콜 지방 검사 연구자에 의해 사용될 수있다 지방산 대사의 중심이며 바와타이 산 산화. 그대로 세포에서 활성화 및 미토콘드리아 복잡한 활동의 억제제는 다른 프로토콜 6, 9 다음에 추가됩니다. 이들 실험의 경우, 외래의 기판 부재의 비 투과성이 셀들의 제 산소 소비량 (호흡률 인산화)을 측정한다. 그리고, 비 인산화 호흡률은 미토콘드리아 ATP 합성 효소의 억제제이다 oligomycin 첨가 후에 측정된다. 그 후, protonophore 보닐 시안화 P-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP)을 다양한 농도로 투여하고 최대 비 결합 미토콘드리아 호흡 속도가 측정된다. 이러한 FCCP 같은 Protonophores는 chemiosmotic 그라데이션을 방출하는 양성자의 수동 이동을 허용, 내부 막의 수소 이온 투과성의 증가를 유도 할 수있다. 양성자 투과성의 증가는 산화 호흡 (NO ATP 생산)으로 분리 및 O의 증가를 유도xygen 소비. 이후, 로테 논 및 antimycin A는 미토콘드리아 호흡 억제 첨가하고, 비 미토콘드리아 호흡 다른 호흡 속도로부터 감산된다.
산소 소모 속도는 (닫힘 산소 실) 체적 고유 산소 유량을 나누어 계산 IO 2 pmol의의 X 초 -1 X 10-6 셀 (백만 셀 당 산소 유량) JV, O로 표현할 수있다 2 pmol의의 X 초 -1 X ml의 -1] 세포 농도로 세포 챔버 (볼륨 당 세포의 수 [10 6 세포 ∙ ml의 1]) 15. 셀 당 질량으로 나눈 셀 질량 특정 산소 플럭스 JO 2 pmol의의 X 초 -1 X 밀리그램 -1] 셀당 흐름이고, IO 2 pmol의의 X 초 -1 X 10-6 셀], [밀리그램 ∙ 10 6 셀] 또는 볼륨 별 플럭스, JV, O 2 pmol의의 X 초 -1 X ㎖의 -1], 부피 당 질량으로 나눈 값매화 [mg의 ∙ ml의 1]. JO이 세포 단백질, 세포 건조 중량 또는 부피당 산소 플럭스이다.
고해상도 호흡율을 사용하여, 본 연구에서는, III) 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체를 외인성 시토크롬 C를 사용하여) I를 전체 세포 세포막 permeabilization 최적 디기 토닌 농도 (디기 토닌 적정 분석), ⅱ) 미토콘드리아 외막 무결성 I를 결정하는 프로토콜을 기술 외인성 ADP 미토콘드리아 호흡 쇄 기판과의 존재 디기 토닌 – 투과성이 인 HepG2 세포에서의 II 및 IV 최대 호흡 속도 IV) 기저 외인성 기질의 첨가없이 결합되어 완전한 세포의 최대 비 결합 호흡 (최대 전자 수송 능력) 및 ADP는 일체형 셀의 호흡 기능을 재생.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 프로토콜의 목적은 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체 '(I-IV) 호흡 속도, 최대 미토콘드리아 전자 전달계 용량 및 미토콘드리아 외막 무결성을 측정하는 고해상도 호흡율을 사용 하였다.
본 프로토콜 내에서 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 우선, 세포 산소 소모 속도는 일반적으로 세포의 개수로 표준화되어있다 (pmol의 / [셀 초 X 참조). 따라서, 셀룰러 산소 소비를 모니?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported by the Swiss National Science Foundation (Grant nº 32003B_127619).
Materials
| ADP | Sigma | A 4386 | Chemical |
| Antimycin A | Sigma | A 8674 | Chemical, dissolve in ethanol |
| Ascorbate | Merck | 1.00127 | Chemical |
| BSA | Sigma | A 6003 | Chemical |
| FCCP | Sigma | C 2920 | Chemical, dissolve in ethanol |
| Countess automated cell counter | Thermo Fisher Scientific | n/a | Automated cell counting instrument |
| Cytochrome c | Sigma | C 7752 | Chemical |
| Digitonin | Sigma | D 5628 | Chemical, dissolve in DMSO |
| DMEM | Gibco | 31966021 | Medium |
| EGTA | fluka | 3779 | Chemical |
| FBS | Gibco | 26010-074 | Medium component |
| Glutamate | Sigma, | G 1626 | Chemical |
| Hepes | Sigma | H 7523 | Chemical |
| KCl | Merck | 1.04936 | Chemical |
| KH2PO4 | Merck | 1.04873 | Chemical |
| K-lactobionate | Sigma | L 2398 | Chemical |
| MgCl2 | Sigma | M 9272 | Chemical |
| O2k-Core: Oxygraph-2k | Oroboros Instruments | 10000-02 | High-resolution respirometry instrument |
| Oligomycin | Sigma | O 4876 | Chemical, dissolve in ethanol |
| Penicillin-streptomycin | Gibco | 15140122 | Chemical |
| Sodium azide | Sigma | S2002 | Chemical |
| Rotenone | Sigma | R 8875 | Chemical, dissolve in ethanol |
| Succinate | Sigma | S 2378 | Chemical |
| Taurine | Sigma | T 8691 | Chemical |
| TMPD | Sigma | T 3134 | Chemical |
| Trypsin | Sigma | T 4674 | Chemical |
Referências
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