基于图像的高通量线粒体DNA合成和分布定量

摘要

描述了使用多孔板格式和自动免疫荧光成像来检测和量化mtDNA合成和分布的细胞中线粒体DNA（mtDNA）代谢动力学的程序。这可以进一步用于研究各种抑制剂，细胞应激和基因沉默对mtDNA代谢的影响。

摘要

绝大多数细胞过程需要持续的能量供应，其中最常见的载体是ATP分子。真核细胞通过氧化磷酸化在线粒体中产生大部分ATP。线粒体是独特的细胞器，因为它们有自己的基因组，可以复制并传递给下一代细胞。与核基因组相反，细胞中线粒体基因组有多个拷贝。详细研究负责线粒体基因组复制、修复和维持的机制对于了解线粒体和整个细胞在正常和疾病条件下的正常功能至关重要。本文提出了一种允许高通量定量体外 培养的人细胞 中线粒体DNA（mtDNA）的合成和分布的方法。该方法基于对通过5-溴-2'-脱氧尿苷（BrdU）掺入标记的活性合成DNA分子进行免疫荧光检测，以及同时检测具有抗DNA抗体的所有mtDNA分子。此外，线粒体用特定的染料或抗体可视化。以多孔形式培养细胞和利用自动荧光显微镜使得在相对较短的时间内在各种实验条件下研究mtDNA的动力学和线粒体的形态变得更加容易。

引言

对于大多数真核细胞来说，线粒体是必不可少的细胞器，因为它们在许多细胞过程中起着至关重要的作用。首先，线粒体^是细胞1的主要能量供应商。线粒体还参与调节细胞稳态（例如，细胞内氧化还原²和钙平衡³），细胞信号传导⁴，5^，细胞凋亡⁶，不同生^{化化合物的}合成7^，8和先天免疫反应⁹。线粒体功能障碍与各种病理状态和人类疾病有关¹⁰.

线粒体的功能取决于位于两个独立基因组中的遗传信息：核基因组和线粒体基因组。与核基因组相比，线粒体基因组编码的基因数量很少，但所有mtDNA编码的基因对人类生命都是必不可少的。维持mtDNA所必需的线粒体蛋白机制由nDNA编码。线粒体爬替体的基本成分以及一些线粒体生物发生因子已经被确定（在以前的研究中回顾了^11，12）。然而，线粒体D....

研究方案

1. siRNA混合物的制备

1. 在实验开始前一天，将细胞（例如HeLa）接种在100毫米的培养皿上，以便第二天达到70%-90%的汇合。
   注意：所有操作必须在无菌条件下在层流室中进行。
2. 在Opti-MEM培养基中制备稀释至140nM浓度的适量的siRNA（参见 材料表）。96孔板可用作储液器。
3. 向黑色 384 孔细胞培养微孔板的每个孔中加入 5 μL siRNA 溶液（或用于对照样品的 Opti-MEM 培养基）。
   注意：根据测试的siRNA样品数量，可以使用电动或多通道移液器。
4. 在Opti-MEM培养基中制备适量的RNAiMAX转染试剂溶液（参见 材料表）。每 100 μL 培养基添加 1 μL RNAiMAX。
5. 向 384 孔板的每个孔中加入 10 μL 转染试剂溶液。最方便、最快捷的方法是使用试剂分配器。
6. 将siRNA与转染试剂在室温下孵育30分钟。

2. 转染用细胞的制备

1. 在孵育期间（步骤1.6），使用抽吸装置吸出培养基（参见 材料表），并用3mL PBS洗涤细胞。
2. 加入在PBS中以1：2稀释的1.5mL胰蛋白酶，并将细胞....

讨论

从历史上看，通过BrdU掺入和抗体检测进行DNA标记已被用于核DNA复制和细胞周期研究¹⁴，^27，28。到目前为止，所有用于检测BrdU标记DNA的方案都包括DNA变性步骤（酸性或热性）或酶消化（DNase或蛋白酶），以实现表位暴露并促进抗体渗透。这些协议是为紧密包装的核DNA开发的。然而，mtDNA的不同组织使得开发没有变性步骤的程序成.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
2′,3′-Dideoxycytidine (ddC)	Sigma-Aldrich	D5782
384  Well Cell Culture Microplates, black	Greiner Bio-One	#781946
5-Bromo-2′-deoxyuridine (BrdU)	Sigma-Aldrich	B5002-1G	Dissolve BrdU powder in water to 20 mM stock solution and aliquot. Use 20 µM BrdU solution for labeling.
Adhesive sealing film	Nerbe Plus	04-095-0060
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG1 secondary antibody	Thermo Fisher Scientific	A-21121
Alexa Fluor 555 goat anti-mouse IgM secondary antibody	Thermo Fisher Scientific	A-21426
BioTek 405 LS microplate washer	Agilent
Bovine Serum Albumin (BSA)	Sigma-Aldrich	A4503
Cell counting chamber Thoma	Heinz Herenz	REF:1080339
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM)	Cytiva	SH30243.01
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM)	Thermo Fisher Scientific	41965-062
Fetal Bovine Serum (FBS)	Thermo Fisher Scientific	10270-106
Formaldehyde solution	Sigma-Aldrich	F1635	Formaldehyde is toxic; please read the safety data sheet carefully.
Hoechst 33342	Thermo Fisher Scientific	H3570
IgG1 mouse monoclonal anti-BrdU (IIB5) primary antibody	Santa Cruz Biotechnology	sc-32323
IgM mouse monoclonal anti-DNA (AC-30-10) primary antibody	Progen	#61014
LightCycler 480 System	Roche
Lipofectamine RNAiMAX Transfection Reagent	Thermo Fisher Scientific	#13778150
MitoTracker Deep Red FM	Thermo Fisher Scientific	M22426	Mitochondria tracking dye
Multidrop Combi Reagent Dispenser	Thermo Fisher Scientific
Opti-MEM	Thermo Fisher Scientific	51985-042
Orca-R2 (C10600) CCD Camera	Hamamatsu
Penicillin-Streptomycin	Sigma-Aldrich	P0781-100ML
Phosphate buffered saline (PBS)	Sigma-Aldrich	P4417-100TAB
PowerUp SYBR Green Master Mix	Thermo Fisher Scientific	A25742
qPCR primer Fw B2M (reference)			CAGGTACTCCAAAGATTCAGG
qPCR primer Fw GPI (reference gene)			GACCTTTACTACCCAGGAGA
qPCR primer Fw MT-ND1			TAGCAGAGACCAACCGAACC
qPCR primer Fw POLG			TGGAAGGCAGGCATGGTCAAACC
qPCR primer Fw TFAM			GATGAGTTCTGCCTGCTTTAT
qPCR primer Fw TWNK			GCCATGTGACACTGGTCATT
qPCR primer Rev B2M (reference)			GTCAACTTCAATGTCGGATGG
qPCR primer Rev GPI (reference gene)			AGTAGACAGGGCAACAAAGT
qPCR primer Rev MT-ND1			ATGAAGAATAGGGCGAAGGG
qPCR primer Rev POLG			GGAGTCAGAACACCTGGCTTTGG
qPCR primer Rev TFAM			GGACTTCTGCCAGCATAATA
qPCR primer Rev TWNK			AACATTGTCTGCTTCCTGGC
ScanR microscope	Olympus
siRNA Ctrl	Dharmacon	D-001810-10-5
siRNA POLG	Invitrogen	POLGHSS108223
siRNA TFAM	Invitrogen	TFAMHSS144252
siRNA TWNK	Invitrogen	C10orf2HSS125597
Suction device	NeoLab	2-9335	Suction device for cell culture
Triton X-100	Sigma-Aldrich	T9284-500ML
Trypsin	Biowest	L0931-500
UPlanSApo 20x 0.75 NA objective	Olympus