A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מחקרים ביואנרגטיים ומטבוליים על מיטוכונדריה חשפו את תפקידם הרב-גוני במחלות רבות, אך שיטות הבידוד של אברונים אלה משתנות. השיטה המפורטת כאן מסוגלת לטהר מיטוכונדריה באיכות גבוהה ממקורות רקמה מרובים. האיכות נקבעת על ידי יחסי בקרת נשימה ומדדים אחרים המוערכים עם רספירומטריה ברזולוציה גבוהה.
בידוד מיטוכונדריאלי נהוג מזה עשרות שנים, בעקבות נהלים שנקבעו על ידי חלוצים בתחומי הביולוגיה המולקולרית והביוכימיה לחקר ליקויים מטבוליים ומחלות. איכות מיטוכונדריאלית עקבית נחוצה כדי לחקור כראוי פיזיולוגיה מיטוכונדריאלית וביו-אנרגטיקה; עם זאת, שיטות בידוד רבות ושונות שפורסמו זמינות לחוקרים. למרות שאסטרטגיות ניסוי שונות דורשות שיטות בידוד שונות, העקרונות והנהלים הבסיסיים דומים. פרוטוקול זה מפרט שיטה המסוגלת לחלץ מיטוכונדריה מצומדים היטב ממגוון מקורות רקמה, כולל בעלי חיים קטנים ותאים. השלבים המתוארים כוללים דיסקציה של איברים, טיהור מיטוכונדריה, כימות חלבונים ובדיקות בקרת איכות שונות. מדד בקרת האיכות העיקרי המשמש לזיהוי מיטוכונדריה באיכות גבוהה הוא יחס בקרת הנשימה (RCR). RCR הוא היחס בין קצב הנשימה במהלך זרחן חמצוני לקצב בהיעדר ADP. נדונים מדדים חלופיים. בעוד ערכי RCR גבוהים ביחס למקור הרקמה שלהם מתקבלים באמצעות פרוטוקול זה, מספר שלבים יכולים להיות אופטימליים כדי להתאים לצרכים האישיים של החוקרים. הליך זה חזק והביא באופן עקבי למיטוכונדריה מבודדים עם ערכי RCR מעל הממוצע במודלים של בעלי חיים ובמקורות רקמות.
מיטוכונדריה הם אברונים תת-תאיים המבססים תנאים אנרגטיים ציטופלזמיים המותאמים לתפקודי תאים ספציפיים. בעוד שמחקרים ברמת התא, הרקמות והאורגניזמים יכולים לספק תובנות לגבי תפקוד המיטוכונדריה, בידוד האבונים מציע רמה של שליטה ניסיונית שאינה אפשרית אחרת. בידודים מיטוכונדריאליים מבוצעים מאז שנות ה-40 של המאה ה-20, ומאפשרים מחקרים מכניסטיים של חילוף חומרים ונשימה במגוון תאים ורקמות 1,2. הרלוונטיות ההיסטורית של המיטוכונדריה מתועדת היטבגם 3. בתור היצרנים העיקריים של ATP, מיטוכונדריה ממלאים תפקידי מפתח רבים החיוניים לתפקוד מיטבי של התאים והאיברים4. בתוך המטריצה המיטוכונדריאלית, הסובסטרטים מחומצנים על ידי מחזור TCA, ומייצרים מקבילות מחזרים ונושאי אלקטרונים ניידים כגון NADH ו- UQH2 5,6. ציטוכרום C הוא נשא האלקטרונים הנייד השלישי ברשת התגובה הביוכימית המיטוכונדריאלית7. מולקולות אלה מחומצנות לאחר מכן על ידי קומפלקסים טרנסממברנליים של מערכת הובלת האלקטרונים (ETS) המשובצים בקרום המיטוכונדריאלי הפנימי8. תגובות חמצון-חיזור של ETS מצומדות לטרנסלוקציה של פרוטונים מהמטריצה למרחב הבין-ממברנלי. תהליכים אלה יוצרים שיפוע פרוטונים אלקטרוכימי המשמש לפוספורילט ADP עם Pi על ידי F1F0 ATP סינתאז לייצור ATP 9,10. ניתן לחקור את התהליכים האינדיבידואליים המתרחשים בכל מתחם באמצעות ספירומטריה ברזולוציה גבוהה באמצעות אלקטרודות מסוג קלארק או מבחני צריכת חמצן של מיקרו-פלטות11,12. בנוסף, מודלים של מחלות וטיפולים באמצעות מיטוכונדריה מבודדת יכולים לקבוע את ההשפעה או החשיבות של תפקוד המיטוכונדריה בהתקדמות של פתולוגיות מסוימות. זה הוכח פורה בתחום הקרדיולוגיה, שם שינויים באספקת דלק ומצע שימשו כדי להבהיר כיצד תפקוד לקוי של המיטוכונדריה משפיע על אי ספיקת לב 13,14,15,16. מיטוכונדריה ידועים גם כמשפיעים על התפתחות מצבי מחלה אחרים כגון סוכרת, סרטן, השמנת יתר, הפרעות נוירולוגיות ומיופתיות17,18. לכן, השימוש במיטוכונדריה מבודדים או מטוהרים מאפשר חקירה מכניסטית של חילוף חומרים חמצוני וייצור ATP ברקמת המקור.
לא חסרים פרוטוקולים לבידוד מיטוכונדריאלי בשל חשיבותם במחקר הביו-אנרגטי. בנוסף, ניתן למצוא שיטות ספציפיות מאוד המותאמות לתת-אוכלוסיות של מיטוכונדריה בתוך רקמות ותאים19,20. השלבים הפרוצדורליים הבסיסיים דומים בין שיטות בידוד, אך ניתן לבצע שינויים בהרכב החיץ, שלבי הומוגניזציה וסחרורי צנטריפוגות כדי לשפר את כמות ואיכות המיטוכונדריה. שינויים בהיבטים אלה מבוססים על הדרישה המטבולית של הרקמה, תפקוד איברים כללי, צפיפות מיטוכונדריה וגורמים אחרים. ברקמות כגון הכבד ושרירי השלד, הומוגנייזרים ידניים משמשים לשמירה על שלמות המיטוכונדריה ולהגבלת הנזק לקרומי המיטוכונדריה21. עם זאת, בעת בידוד מהכליות, פרוטוקולים מסוימים מציעים להשתמש בהומוגניזציה מונעת ידנית או ערכות מסחריות כדי להניב תוצאות טובות יותר22. למרות ששתי השיטות מניבות מיטוכונדריה פונקציונלית, איכות האברונים עלולה להיפגע בגלל הזמן הנוסף שלוקח להשלים בידודים באמצעות פרוטוקולים אלה. צנטריפוגה חיונית גם למיצוי חלבון מיטוכונדריאלי, שכן היא מפרידה רכיבים תאיים כגון גרעינים ואברונים אחרים מהמיטוכונדריה23. בתהליך הבידוד מתלבטים האם יש ליישם צנטריפוגות דיפרנציאליות או מבוססות צפיפות כדי להשיג מבודדים טהורים יותר24. בעוד שצנטריפוגת צפיפות יכולה להפריד מיטוכונדריה מאברונים בעלי כבידה סגולית דומה, כגון פרוקסיזומים, אין זה מבוסס היטב אם מיטוכונדריה משיטות אלה מייצגות טוב יותר את תפקוד אברוני האתר בהשוואה למיטוכונדריה שבודדו באמצעות צנטריפוגה דיפרנציאלית. בתחום הפיזיולוגיה של המיטוכונדריה, צנטריפוגה מבוססת צפיפות היא מועדפת וניתן לשנות אותה בקלות כדי להגביר את טוהר הבידוד. יש לשקול לפני הניסויים אם משולבים שינויים בכוחות הג'י, משך הצנטריפוגות ומספר סיבובי הצנטריפוגות בשל השפעתם על טיהור המיטוכונדריה. יתר על כן, תרחיף מיטוכונדריאלי, ככל הנראה השלב המכריע ביותר במהלך בידוד, שונה מאוד בין מחקרים, עם שימוש בגירוד, ערבוב מבוסס מערבולת, או הומוגניזציה 23,25,26. השעיה מכנית מסוג זה עלולה להיות שוחקת מדי ולפגוע בשלמות הממברנה של המיטוכונדריה. מסיבה זו, יש לבצע כביסה עדינה כדי לתקן זאת. למרות שפע המודולציות והמתודולוגיות המוצעות, ישנם פחות פרוטוקולים מקיפים עם יכולת שחזור והתאמה גבוהה למודלים של מכרסמים.
השיטות המתוארות כאן מתארות פרוטוקול מפורט, חזק וניתן לשחזור שמניב מיטוכונדריה מטוהרת ומצומדת היטב מרקמת לב של בעלי חיים קטנים. כפי שהוכח, ניתן להתאים שיטה זו בקלות כדי להתאים לצרכים הספציפיים של כל ניסוי ו / או סביבת מעבדה לבידוד מיטוכונדריה מכליות, כבד ותאים בתרבית. ניתן לבצע שינויים נוספים כדי לבודד מיטוכונדריה מרקמות ובעלי חיים אחרים שאינם מפורטים כאן. מתכוני חיץ המשמשים לכל הבידודים מסופקים וניתן לשנות אותם במידת הצורך. בדומה לפרוטוקולים אחרים שפורסמו, הומוגניזציה ממונעת וצנטריפוגה דיפרנציאלית מיושמות; עם זאת, מתבצעות התאמות הן לזמן הגזירה והן לכוח שבו הדגימות עוברות צנטריפוגה כדי לספק באופן עקבי מבודדים מיטוכונדריאליים באיכות גבוהה, בהתאם למקור הבידוד. יש לציין כי פרוטוקול זה שונה מאחרים בכך שהוא משתמש בשטיפה עדינה באמצעות פיפטינג כדי להשהות מחדש מיטוכונדריה כדורית, מה שעוזר לשמור על שלמות קרום המיטוכונדריה ולשמור על הפונקציונליות הכוללת של האברונים. חלבון מיטוכונדריאלי מכומת על ידי קביעת חלבון כולל או על ידי מדידת פעילות סינתאז ציטראט. התועלת והישימות הרחבה של שיטת בידוד זו נתמכות גם על ידי ערכי יחסי הבקרה הנשימתית (RCR) המושגים על פני אורגניזמים ומקורות רקמות שונים.
השימוש והטיפול בכל בעלי החוליות בוצעו בהתאם לפרוטוקולים מאושרים שנבדקו והתקבלו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) באוניברסיטת מישיגן. פרוטוקול זה תוכנן תוך שימוש בשרקנים לבקנים זכרים ונקבות כאחד של הארטלי וחולדות Sprague Dawley (SD). לצורך בידוד מיטוכונדריה לבבית משרקנים, הוקרבו בעלי חיים בגילאי 4-6 שבועות (300-450 גרם). מיטוכונדריה לבבית מחולדות SD משני המינים התקבלו בין הגילאים 10-13 שבועות (250-400 גרם). מתכונים למאגרים מתוארים בטבלה 1 ויש להכין אותם מראש. פרטים על הריאגנטים והציוד ששימשו במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.
1. הכנה ניסיונית
2. דיסקציה של רקמות
3. טיהור מיטוכונדריה וכימות חלבונים
4. בדיקות בקרת איכות
עם השלמת בידוד המיטוכונדריה, יש לבדוק את האיכות והפונקציונליות של המבודדים באמצעות כימות קצב צריכת החמצן (JO2) באמצעות ספירומטריה ברזולוציה גבוהה. כדי לעשות זאת, מלאי המיטוכונדריה דולל ל -40 מ"ג / מ"ל כדי לאפשר ריכוזי עבודה של 0.1 מ"ג / מ"ל ב -2 מ"ל RB עבור כל בדיקות הספי?...
הקפדה על השיטות המתוארות בתמציתיות בפרוטוקול זה תבטיח בידוד של מיטוכונדריה מצומדת היטב מרקמת הלב של מכרסמים קטנים, בנוסף לסוגי רקמות ומקורות אחרים. בסך הכל, התהליך צריך לקחת בסך הכל 3-3.5 שעות, שבמהלכן כל רקמות בעלי החיים, הדגימות והמבודדים צריכים להישאר על קרח ב -4 מעלות צל...
המחברים מצהירים כי אין מה לחשוף.
ברצוננו להודות לדניאל א. בירד ולקליאן ס. וינקוטה על תרומתם הבסיסית לפרוטוקול זה. עבודה זו מומנה על ידי NSF CAREER grant MCB-2237117.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.7 mL microcentrifuge tubes | |||
10 mL glass beaker | For organ disection and mincing | ||
50 mL centrifuge tubes | Centrifugation | ||
Adenosine 5'-diphosphate monopotassium salt dihydrate | Sigma | A5285 | Respirometry assays |
BSA Protein Assay Kit | Thermo Scentific | PI23225 | Mitochondrial protein quantification |
Dextrose | Sigma | DX0145 | For buffer (CB) |
Ethylene glycol-bis(2-amino-ethylether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid | Sigma | E4378 | For buffers (CB and IB) and respirometry assays |
Glass cannula | Radnoti | Guinea pig and rat heart perfusion | |
Heparin sodium porcine mucosa | Sigma | SRE0027-250KU | Animal IP injection |
High-resolution respirometer | Clark-type electrode; oxygraph with 2 mL chambers | ||
Induction chamber | |||
Isoflurane | Sigma | 792632 | Anesthetic |
L-malic acid | Sigma | 02288-50G | Respirometry assays |
Magnesium chloride hexahydrate | Sigma | M9272 | For buffer (RB) |
Mannitol | Sigma | MX0214 | For buffer (IB) |
Microliter syringes | Sizes ranging from 5–50 µL | ||
Microplate reader | Must be able to incubate at 37 °C | ||
MOPS | Sigma | 475898 | For all buffers |
O2 tank | |||
OMNI THQ Homogenizer | OMNI International | 12-500 | Similar rotor stator homogenizers will work |
pipettes | Volumes of 2–20 µL; 20–200 µL; 200–1000 µL | ||
Potassium chloride | Sigma | P3911 | For buffers (RB and CB) |
Potassium phosphate dibasic | Sigma | 795496 | For buffers (IB and RB) |
Protease from Bacillus licheniformis | Sigma | P5459 | |
Sodium chloride | Sigma | S9888 | For buffer (CB) |
Sodium pyruvate | Fisher bioreagents | BP356-100 | Respirometry assays |
Sucrose | Sigma | 8510-OP | For buffer (IB) |
Surgical dissection kit | Depends on animal and tissue source | ||
Tabletop centrifuge | Must cool to 4 °C |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved