Summary

उच्च Throughput Microplate श्वसन माप के लिए माउस कंकाल की मांसपेशी की कम मात्रा से माइटोकॉन्ड्रिया के अलगाव

Published: November 13, 2015
doi:

Summary

Here, we present a modification of a previously reported method that allows for the isolation of high quality and purified mitochondria from smaller quantities of mouse skeletal muscle. This procedure results in highly coupled mitochondria that respire with high function during microplate based respirometirc assays.

Abstract

बेकार कंकाल की मांसपेशी माइटोकॉन्ड्रिया उम्र बढ़ने, मोटापा और टाइप टू मधुमेह के साथ मनाया बदल चयापचय में एक भूमिका निभाते हैं। पृथक माइटोकॉन्ड्रियल तैयारी से माइटोकॉन्ड्रियल respirometric assays दवाओं और चयापचय को मिलाना है कि प्रोटीन की कार्रवाई की व्यवस्था (एस) के माइटोकॉन्ड्रियल समारोह का आकलन, साथ ही दृढ़ संकल्प के लिए अनुमति देते हैं। वर्तमान अलगाव प्रक्रियाओं अक्सर respirometric assays के लिए आवश्यक उच्च गुणवत्ता माइटोकॉन्ड्रिया उपज के लिए ऊतक की एक बड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है। इस के साथ साथ प्रस्तुत तरीकों (~ 450 माइक्रोग्राम) उच्च throughput सांस की माप में उपयोग के लिए माउस कंकाल की मांसपेशी की न्यूनतम मात्रा (~ 75-100 मिलीग्राम) से अलग किया जा सकता है कि कैसे उच्च गुणवत्ता शुद्ध माइटोकॉन्ड्रिया का वर्णन है। हम अपने अलगाव विधि spectrophotometrically साइट्रेट synthase गतिविधि को मापने के द्वारा 92.5 ± 2.0% बरकरार माइटोकॉन्ड्रिया कि पैदावार निर्धारित की। इसके अलावा, अलग-थलग माइटोकॉन्ड्रिया में पश्चिमी धब्बा विश्लेषण cytoso के बेहोश अभिव्यक्ति में हुईएलआईसी प्रोटीन, GAPDH, और mitochondrial प्रोटीन, COXIV के मजबूत अभिव्यक्ति। पृथक माइटोकॉन्ड्रिया में एक प्रमुख GAPDH बैंड के अभाव अलगाव की प्रक्रिया के दौरान गैर-माइटोकॉन्ड्रियल स्रोतों से थोड़ा संदूषण का संकेत है। सबसे महत्वपूर्ण बात, हे 2 खपत सूक्ष्म प्लेट आधारित तकनीक के साथ दर और अत्यधिक युग्मित दिखाता युग्मित respirometric assays के लिए श्वसन नियंत्रण अनुपात (रेसकोर्स रोड) का निर्धारण करने का माप (रेसकोर्स रोड, सब assays के लिए> 6) और कार्यात्मक माइटोकॉन्ड्रिया। अंत में, एक अलग नख़रेबाज़ कदम के अलावा और काफी पहले से सूचना दी विधि की मोटर चालित homogenization गति को कम करने के लिए उच्च समारोह के साथ साँस लेते हैं कि अत्यधिक युग्मित माइटोकॉन्ड्रिया में यह परिणाम है कि माउस कंकाल की मांसपेशी की छोटी मात्रा से उच्च गुणवत्ता और शुद्ध माइटोकॉन्ड्रिया के अलगाव की अनुमति दी है microplate आधारित respirometirc assays के दौरान।

Introduction

The primary function of mitochondria is to produce ATP from oxidative phosphorylation. However, mitochondria have many other important cellular functions including but not limited to: the production and detoxification of reactive oxygen species, the regulation of cytoplasmic and mitochondrial calcium, organelle trafficking, ionic homeostasis, and involvement in apoptosis1,2. Therefore, it is not surprising that dysfunctional mitochondria play a role in many disease pathologies, such as aging, neurodegenerative diseases, cardiovascular disease, cancer, obesity, and diabetes3,4. Importantly, skeletal muscle mitochondria specifically are involved in many of these pathologies3-5.

Mitochondrial respiration assays using isolated mitochondria allow for the assessment of electron transport chain and oxidative phosphorylation function, and the determination of mechanism(s) of action of drugs and proteins that modulate metabolism. Mitochondrial isolation procedures exist for multiple tissue and cell types for a variety of species6,7. However, these procedures often require large quantities of tissue/cells for a high quality mitochondria yield necessary for classic respirometric assays.

Microplate based respirometirc assays allow for high throughput measurements using minimal quantities of isolated mitochondria, often just several µg per well8. Therefore, we present a modification of previously published methods7 to allow for high quality mitochondria to be isolated from smaller quantities of mouse skeletal muscle for use in microplate based respirometirc assays. In addition, methods are provided to establish the quality of the mitochondrial isolation preparation and the integrity of the mitochondrial membranes. Given that skeletal muscle mitochondria are involved in many pathological conditions, the measurement of O2 consumption in mechanistically driven studies is becoming more prevalent in biomedical research9,10.

Protocol

जानवरों के अध्ययन संस्थागत पशु की देखभाल द्वारा एक अनुमोदित प्रोटोकॉल के तहत प्रदर्शन किया और वर्जीनिया पॉलिटेक्निक संस्थान और राज्य विश्वविद्यालय में समिति का उपयोग कर रहे थे। 1. सेटअप (स?…

Representative Results

साइट्रेट synthase गतिविधि साइट्रेट synthase बरकरार झिल्ली के साथ माइटोकॉन्ड्रिया के निलंबन में उपस्थित नहीं होना चाहिए, इस प्रकार भीतरी mitochondrial झिल्ली में स्थित है, और के बाद से झिल्ली अखंडता के लिए एक उपाय के रूप ?…

Discussion

इस के साथ साथ प्रस्तुत तरीकों माउस कंकाल की मांसपेशी की न्यूनतम मात्रा (~ 75-100 मिलीग्राम) से एक माइटोकॉन्ड्रियल अलगाव की प्रक्रिया का विस्तृत विवरण प्रदान करते हैं। इस अलगाव की प्रक्रिया के ओ 2 खपत की…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The Fralin Life Science Research Institute and The Metabolic Phenotyping Core at Virginia Tech supported this work.

Materials

Essentially Fatty Sigma Aldrich A6003 N/A
Acid Free- BSA
Tris/HCl Promega H5123 N/A
KCL Sigma Aldrich P9541 N/A
Tris Base Promega H5135 N/A
EDTA Sigma Aldrich E6511 N/A
EGTA Sigma Aldrich E4378 N/A
Sucrose Sigma Aldrich S7903 N/A
D-Mannitol Sigma Aldrich 63559 N/A
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red Thermo Scientific 25200-056 N/A
Sodium Chloride
White Crystals or Crystalline Powder
≥99.0 %
Fisher Scientific BP3581 N/A
Sodium dodecyl sulfate Sigma Aldrich L3771  N/A
Sodium deoxycholate Sigma Aldrich D6750  N/A
Polyoxyethylene (12) nonylphenyl ether, branched Sigma Aldrich 238651 N/A
Single Edge Razor Blades Fisher Scientific 12-640 N/A
Falcon- 100 uM Nylon Cell Strainers Fisher Scientific 352360 N/A
Halt Protease & Phosphatse Inhibitor Cocktail Thermo Scientific 1861284 N/A
1.5mL microcentrifuge tubes with screw cap Thermo Scientific 3474 N/A
Zirconium Oxide beads Fisher Scientific C9012112 N/A
GAPDH antibody (1D4) Santa Cruz Biotechnology sc-59540 N/A
Anti- COXIV antibody Cell Signaling 4844s Any mitochondrial inner membrane protein will suffice
Peroxidase conjugated affinipure Donkey, Anti Rabbit IgG (H+L) Jackson ImmunoResearh 711-035-152 N/A
Peroxidase conjugated affinipure Goat, Anti Mouse IgG (H+L) Jackson ImmunoResearh 115-001-003 N/A
Triton-X100 Sigma Aldrich X100 N/A
Pierce BCA Protein Assay Kit  Thermo Scientific 23225 N/A
Pyruvic Acid, 98% Sigma Aldrich 107360 Store at 4°C,pH to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay
Succinic Acid Sigma Aldrich S9512 Store at room temperature, pH to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay
L(-) Malic Acid, BioXtra, ≥95% Sigma Aldrich M6413 Store at room temperature, to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay
L-Glutamic acid Sigma Aldrich G1251 Store at room temperature, to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay, to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay
Palmitoyl L-carnitine chloride Sigma Aldrich P1645 Store at -20°C
Oligomycin A, ≥ 95% (HPLC) Sigma Aldrich 75351 Store at -20°C
Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy) Sigma Aldrich C2920 Store at 2-8°C
phenylhydrazone
≥98% (TLC), powder [FCCP]
Antimycin A from streptomyces sp. Sigma Aldrich A8674 Store at -20°C
Adenosine 5′-diphosphate monopotassium salt dehydrate [ADP] Sigma Aldrich A5285 Store at -20°C, to 7.4 with KOH prior to use in respirometric assay
Rotenone Sigma Aldrich R8875 Store at room temperature

References

  1. Brand, M., Nicholls, D. Assessing mitochondrial dysfunction in cells. Biochem. J. 435, 297-312 (2011).
  2. Nicholls, D. G., Ferguson, S. . Bioenergetics. , (2013).
  3. Nunnari, J., Suomalainen, A. Mitochondria: in sickness and in health. Cell. 148, 1145-1159 (2012).
  4. Lauri, A., Pompilio, G., Capogrossi, M. C. The mitochondrial genome in aging and senescence. Ageing Res. Rev. 18, 1-15 (2014).
  5. Dube, J. J., et al. Effects of acute lipid overload on skeletal muscle insulin resistance, metabolic flexibility, and mitochondrial performance. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 12, 1117-1124 (2014).
  6. Fernandez-Vizarra, E., Lopez-Perez, M. J., Enriquez, J. A. Isolation of biogenetically competent mitochondria from mammalian tissues and cultured cells. Methods (San Diego, Calif). 26, 292-297 (2002).
  7. Frezza, C., Cipolat, S., Scorrano, L. Organelle isolation: functional mitochondria from mouse liver, muscle and cultured fibroblasts. Nat. Protoc. 2, 287-295 (2007).
  8. Rogers, G. W., et al. High throughput microplate respiratory measurements using minimal quantities of isolated mitochondria. PloS one. 6, e21746 (2011).
  9. Guarino, R. D., et al. Method for determining oxygen consumption rates of static cultures from microplate measurements of pericellular dissolved oxygen concentration. Biotechnol. and Bioeng. 86, 775-787 (2004).
  10. Will, Y., Hynes, J., Ogurtsov, V. I., Papkovsky, D. B. Analysis of mitochondrial function using phosphorescent oxygen-sensitive probes. Nat. Protoc. 1, 2563-2572 (2007).
  11. Hulver, M. W., et al. Elevated stearoyl-CoA desaturase-1 expression in skeletal muscle contributes to abnormal fatty acid partitioning in obese humans. Cell Metab. 2, 251-261 (2005).
  12. Frisard, M. I., et al. Toll-like receptor 4 modulates skeletal muscle substrate metabolism. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 298, e988-e998 (2010).
  13. Chance, B., Williams, G. R. The respiratory chain and oxidative phosphorylation. Adv. Enzymol. Relat. Subjects of Biochem. 17, 65-134 (1956).
  14. Garcia-Cazarin, M. L., Snider, N. N., Andrade, F. H. Mitochondrial isolation from skeletal muscle. JoVE. , (2011).
  15. Gross, V. S., et al. Isolation of functional mitochondria from rat kidney and skeletal muscle without manual homogenization. Anal. Biochem. 418, 213-223 (2011).
  16. Krieger, D. A., Tate, C. A., McMillin-Wood, J., Booth, F. W. Populations of rat skeletal muscle mitochondria after exercise and immobilization. J. Appl. Physiol.: Respir., Envir. and Ex. Physiol. 48, 23-28 (1980).
  17. Asmann, Y. W., et al. Skeletal muscle mitochondrial functions, mitochondrial DNA copy numbers, and gene transcript profiles in type 2 diabetic and nondiabetic subjects at equal levels of low or high insulin and euglycemia. Diabetes. 55, 3309-3319 (2006).
  18. Lanza, I. R., Nair, K. S. Functional assessment of isolated mitochondria in vitro. Methods Enzymol. 457, 349-372 (2009).
check_url/53217?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Boutagy, N. E., Pyne, E., Rogers, G. W., Ali, M., Hulver, M. W., Frisard, M. I. Isolation of Mitochondria from Minimal Quantities of Mouse Skeletal Muscle for High Throughput Microplate Respiratory Measurements. J. Vis. Exp. (105), e53217, doi:10.3791/53217 (2015).

View Video