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Dieses Protokoll beschreibt die Anwendung von mitochondriengesteuerten genetisch kodierten Spannungsindikatoren (GEVIs). Diese GEVIs bieten einen signifikanten Vorteil gegenüber herkömmlichen mitochondrialen Membranpotentialfarbstoffen, indem sie eine spezifische In-vivo- und Echtzeitüberwachung des mitochondrialen Membranpotenzials ermöglichen.
Das mitochondriale Membranpotential (MMP, ΔΨm) ist entscheidend für die mitochondrialen Funktionen, einschließlich der ATP-Synthese, des Ionentransports, der Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und des Imports von Proteinen, die vom Zellkern kodiert werden. Bestehende Methoden zur Messung von ΔΨm verwenden typischerweise lipophile Kationenfarbstoffe wie Rhodamin 800 und Tetramethylrhodaminmethylester (TMRM), aber diese sind durch eine geringe Spezifität begrenzt und eignen sich nicht gut für In-vivo-Anwendungen . Um diese Einschränkungen zu beheben, haben wir ein neuartiges Protokoll entwickelt, das genetisch kodierte Spannungsindikatoren (GEVIs) verwendet. Genetisch kodierte Spannungsindikatoren (GEVIs), die Fluoreszenzsignale als Reaktion auf Membranpotentialänderungen erzeugen, haben ein erhebliches Potenzial für die Überwachung von Plasmamembran- und neuronalen Potenzialen gezeigt. Ihre Anwendung auf mitochondriale Membranen ist jedoch noch unerforscht. Hier haben wir proteinbasierte mitochondriale GEVIs entwickelt, die in der Lage sind, ΔΨm-Fluktuationen in Zellen und im motorischen Kortex lebender Tiere zu erkennen. Der mitochondriale Potentialindikator (MPI) bietet einen nicht-invasiven Ansatz zur Untersuchung der ΔΨm-Dynamik in Echtzeit und bietet eine Methode zur Untersuchung der mitochondrialen Funktion sowohl unter normalen als auch unter pathologischen Bedingungen.
Mitochondrien sind essentielle Organellen in eukaryotischen Zellen, die durch die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) als primäre Energielieferanten dienen und gleichzeitig eine Vielzahl anderer wichtiger Funktionen erfüllen, wie z. B. die Metabolitensynthese, die Pufferung von Kalziumionen, die Wärmeproduktion und die Regulierung des Zellüberlebens1. Ihre Rolle ist besonders wichtig in stark metabolischen Geweben wie Gehirn und Herz, wo sie zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase beitragen. Das mitochondriale Membranpotential (MMP, Ψm) ist für diese Prozesse von zentraler Bedeutung, einschließlich der Förderung der ATP-Synthese durch oxidative Phosphorylierung, der Erleichterung des Transports von Metaboliten und Ionen durch die Mitochondrienmembranen und des Beitrags zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)2,3. MMP beeinflusst auch die mitochondriale Morphologie und Dynamik4, einschließlich der Mitophagie (dem selektiven Abbau von Mitochondrien)5und der Apoptose (programmierter Zelltod)6. Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Ψm ist für die Zellfunktion unerlässlich; Seine Dysregulation ist mit zahlreichen Krankheiten verbunden, darunter neurodegenerative Erkrankungen, Herzinsuffizienz und Krebs. Derzeitige Methoden zur Messung von Ψm beruhten in erster Linie auf der Verwendung lipophiler kationischer Farbstoffe, einschließlich TMRM (Tetramethylrhodaminmethylester), TMRE (Tetramethylrhodaminethylester), Rhodamin 123, Safranin O, Rhodamin 800, DiOC6, JC-1 usw.7. Diese fluoreszierenden Moleküle haben jedoch mehrere Einschränkungen. Diesen Farbstoffen mangelt es an Zellspezifität, sie sind anfällig für Quenching und einige sind giftig. Darüber hinaus können sie im Laufe der Zeit diffundieren, und wenn mitochondriales ΔΨ verloren geht, treten sie aus, wodurch sie nicht mehr in der Lage sind, das Membranpotenzial depolarisierter Mitochondrien anzuzeigen. Darüber hinaus sind Rhodamin-basierte Farbstoffe wie TMRM und TMRE temperaturempfindlich8, was eine sorgfältige Berücksichtigung der Temperatureffekte auf die Farbstofffluoreszenz erfordert, insbesondere bei der Messung der mitochondrialen Membranspannung während physiologischer Aktivitäten, die die zelluläre Thermogenese betreffen.
Genetisch kodierte Spannungsindikatoren (GEVIs), Proteine, die in der Lage sind, Membranpotentialänderungen durch Fluoreszenzsignale zu erkennen 9,10, haben sich als leistungsfähige Werkzeuge zur Überwachung von Membranpotentialen in einer Vielzahl von zellulären Kontexten erwiesen11. Während GEVIs in großem Umfang zur Untersuchung von Plasmamembranen eingesetzt wurden, gab es nur geringe Fortschritte bei der Anpassung an sie zur Messung intrazellulärer Membranpotentiale, insbesondere für Mitochondrien. Dieses Protokoll versucht, diese Lücke zu schließen, indem mitochondriale zielgerichtete GEVIs verwendet werden, die das mitochondriale Membranpotenzial in vitro und in vivo überwachen können. Durch Hinzufügen einer mitochondrialen Signalsequenz zu den vorhandenen GEVIs kann eine geeignete GEVI auf die Mitochondrienausgerichtet werden 12. Diese mitochondrialen Potentialindikatoren (MPI) würden neue Einblicke in die mitochondriale Physiologie liefern und ein erhebliches Potenzial für die Erforschung der mitochondrialen Funktion in verschiedenen Krankheitszuständen in vivo bieten, um unser Verständnis darüber zu verbessern, wie die mitochondriale Dynamik sowohl zu normalen als auch zu pathologischen zellulären Prozessen beiträgt.
Alle Tierpflegemaßnahmen und -versuche wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien des Institutional Animal Care and Use Committee der Universität Zhengzhou durchgeführt. Sterilisieren Sie alle chirurgischen Instrumente vor dem Gebrauch. Befolgen Sie aseptische Techniken, um Infektionen zu verhindern. Nachdem alle Daten erfasst worden waren, wurden die Tiere mit einer Überdosis Inhalationsanästhesie euthanasiert, gefolgt von einer Enthauptung.
1. In-vitro-Anwendungen
Abbildung 1: Vektorkarte von CMV-MPI-1. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
2. In-vivo-Anwendungen
Abbildung 2: Vektorkarte von AAV-hSyn-MPI-2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Nach der Konstruktion des CMV-MPI-1-Plasmids wurde seine Fähigkeit, auf Mitochondrien abzuzielen, in Hela-Zellen unter Verwendung des mitochondrialen Markers Rhodamin 800 zur Färbung getestet. Kolokalisationsexperimente zeigten ein hohes Maß an Überlappung zwischen dem Fluoreszenzsignal von MPI-1 und dem Signal von Rhodamin 800, was darauf hindeutet, dass MPI-1 erfolgreich in den Mitochondrien lokalisiert wurde (Abbildung 3).
Die mitochondriale Membranspannung wird unter Ruhebedingungen bei -120--180 mV gehalten und schwankt mit Änderungen des Stoffwechselzustands. Derzeit kann die Messung des mitochondrialen Membranpotentials mit elektrophysiologischen Methoden und Fluoreszenzfarbstoffmethoden durchgeführt werden. Die mitochondriale Patch-Klemmung erfordert die Isolierung der Mitochondrien und die Zerstörung zellulärer Strukturen13. Dieser Ansatz kann zu Messungen führen, die von...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Wir danken der National Natural Science Foundation (NSF) Chinas: JSK (32071137 und 92054103) und der Finanzierung des wissenschaftlichen Forschungs- und Innovationsteams des ersten angeschlossenen Krankenhauses der Universität Zhengzhou: JSK (ZYCXTD2023014).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
BamHI | Thermo | FD0054 | |
Calcium chloride | Sigma | C4901 | |
CCCP | Sigma | C2759 | |
Centrifuge | eppendorf | 5430R | |
Centrifuge (cell culture) | eppendorf | 5810R | |
CO2 cell incubator | ESCO | 170L IR Sensor | |
Coverslips | Glaswarenfabrik Karl Hecht GmbH & Co.KG | 92100100030 | |
Dental adhensive resin cement | Sun medical company, LTD. | Super-Bond C&B Kit | |
D-glucose | Sigma | G7021 | |
DNA Ligation Kit Ver. 2.1 | Takara | 6022 | |
Dulbecco's modified Eagle medium | Gibco | 11965092 | |
Electric drill | RWD Instruments | 78001 | |
Fetal bovine serum | Gibco | A5670701 | |
Fiber optic cannula | RWD Instruments | R-FOC-L200C-39NA | |
Fiber photometry detector | Thinker | QAXK_FPS-TC-MC-LED | |
Fluorescence microscope | Olympus | IX83 | |
Glass pipette (for injection) | Drummond Scientific company | 3.5" Drummond # 3-000-203-G/X | |
HEK293t | ATCC | Cat# CRL-3216 | |
Hela cells | ATCC | Cat# CCL-2 | |
HEPES | Sigma | H3375 | |
Injection pump | Drummond Scientific company | 3-000-207 | |
Isoflurane | RWD Instruments | R510-22 | |
Laser scanning confocal microscope | Zeiss | LSM980 | |
MluI | Thermo | FD0564 | |
NheI | Thermo | FD0974 | |
Optical fibers | RWD Instruments | R-FC-L-N3-200-L1 | |
Paraffin oil | Sangon | B500301 | |
PCR thermal Cycler | analytik jena | Biometra Tone 96G | |
Pentobarbital sodium | Sinopharm Chemical Reagent Co.LTD | 57-33-0 | |
Potassium chloride | Sigma | P5405 | |
PrimeSTAR HS DNA Polymerase | Takara | R010A | |
Programmable micropipette puller | Sutter Instruments | P2000 | |
Quick self-curing acrylic resin | Yamahachi | V-PINK | |
Real-time PCR thermal Cycler | analytik jena | qTOWER³ auto | |
Rhodamine 800 | Sigma | 83701 | |
SalI | Thermo | FD0644 | |
Sodium chloride | Sigma | S9888 | |
Sodium phosphate dibasic | Sigma | S9763 | |
Stereotaxic apparatus | RWD Instruments | E06354 | |
Veterinary ophthalmic ointment | Puralube | NA | |
XhoI | Thermo | FD0694 |
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