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Method Article
La necessità di nuovi approcci per studiare i siti di contatto di membrana (MCS) è cresciuta a causa del crescente interesse per lo studio di queste strutture cellulari e dei loro componenti. Qui, presentiamo un protocollo che integra tecnologie di microscopia precedentemente disponibili per identificare e quantificare i complessi proteici intra-organello e inter-organello che risiedono nelle MCS.
I siti di contatto con la membrana (MCS) sono aree di stretta vicinanza della membrana che consentono e regolano lo scambio dinamico di diverse biomolecole (ad esempio, calcio e lipidi) tra gli organelli giustapposti senza coinvolgere la fusione della membrana. Le MCS sono essenziali per l'omeostasi cellulare e le loro funzioni sono assicurate dai componenti residenti, che spesso esistono come complessi proteici multimerici. Le MCS spesso coinvolgono il reticolo endoplasmatico (ER), un importante sito di sintesi lipidica e di accumulo cellulare di calcio, e sono particolarmente importanti per gli organelli, come i mitocondri, che sono esclusi dalle classiche vie di trasporto vescicolare. Negli ultimi anni, le MCS tra l'ER e i mitocondri sono state ampiamente studiate, poiché le loro funzioni hanno un forte impatto sul metabolismo cellulare/bioenergetica. Diverse proteine hanno iniziato a essere identificate in questi siti di contatto, tra cui i legami di membrana, i canali del calcio e le proteine di trasferimento lipidico, sollevando così la necessità di nuove metodologie e approcci tecnici per studiare questi componenti MCS. Qui, descriviamo un protocollo costituito da approcci tecnici combinati, che includono il saggio di legatura di prossimità (PLA), la colorazione dei mitocondri e la segmentazione dell'imaging 3D, che consente il rilevamento di proteine che sono fisicamente vicine (>40 nm) tra loro e che risiedono sulla stessa membrana a MCS dei mitocondri ER. Ad esempio, abbiamo utilizzato due proteine di trasferimento lipidico ancorate al reticolo endoplasmatico, ORP5 e ORP8, che hanno precedentemente dimostrato di interagire e localizzarsi nei mitocondri del reticolo endoplasmatico e negli MCS della membrana plasmatica del reticolo endoplasmatico. Associando il PLA ORP5-ORP8 con l'analisi del software di imaging cellulare, è stato possibile stimare la distanza del complesso ORP5-ORP8 dalla superficie mitocondriale e determinare che circa il 50% dell'interazione PLA ORP5-ORP8 si verifica nei sottodomini ER in prossimità dei mitocondri.
La comunicazione tra gli organelli è una caratteristica distintiva delle cellule eucariotiche. Un modo in cui gli organelli comunicano è la formazione di siti di contatto di membrana (MCS), che sono strette opposizioni di membrana tra due organelli che sono mantenute da proteine strutturali e funzionali, come i legami, le proteine di trasferimento lipidico e i canali del calcio1. Le MCS possono essere stabilite tra organelli simili o diversi e mediano lo scambio di componenti cellulari, che è importante per mantenere l'omeostasi cellulare. Ad oggi, sono stati identificati diversi MCS, tra cui il reticolo endoplasmatico (ER)-mitocondri, i contatti ER-membrana plasmatica (PM) e ER-goccioline lipidiche (LD)1. Tra questi, quelli che si formano tra l'ER e i mitocondri (MERCS) sono tra i più studiati in quanto coinvolti nella regolazione di diverse funzioni cellulari, tra cui l'omeostasi lipidica e del calcio2. Poiché i mitocondri sono in gran parte esclusi dalle classiche vie di trasporto vescicolare, si affidano a MERCS e ai loro costituenti molecolari per importare lipidi chiave o precursori lipidici dal reticolo endoplasmatico. Il trasporto non vescicolare di questi lipidi attraverso i MERCS garantisce il mantenimento di una corretta composizione lipidica mitocondriale, nonché la loro integrità funzionale e strutturale3.
Dato il coinvolgimento cruciale delle MCS in varie funzioni cellulari, l'interesse nel fornire una comprensione più profonda dei loro componenti molecolari è notevolmente aumentato negli ultimi anni. Diversi tipi di approcci basati sull'imaging sono stati utilizzati per far progredire le conoscenze sugli MCS. Tra questi, il saggio di legatura di prossimità (PLA) basato su sonda di fluorescenza è stato ampiamente utilizzato come indicatore dell'abbondanza di MCS rilevando le interazioni proteina-proteina inter-organello (in un intervallo di rilevamento di 40 nm) a livelli endogeni4. Ad esempio, i MERCS sono stati visualizzati e quantificati utilizzando il PLA tra diverse coppie di proteine mitocondri-ER, tra cui VDAC1-IP3R, GRP75-IP3R, CypD-IP3 e PTPIP51-VAPB 5,6,7,8. Sebbene questa tecnologia sia stata utilizzata per rilevare e quantificare le interazioni proteina-proteina inter-organello presenti a MCS 5,7,9,10,11, la maggior parte degli studi non ha combinato il PLA con la colorazione degli organelli. Di conseguenza, non è stato ancora sviluppato un metodo quantitativo che consenta di misurare la prossimità tra le interazioni del PLA e gli organelli associati. Così, finora, nel caso delle proteine ER, la loro interazione all'interno dei sottodomini di membrana a contatto con altri organelli non è stata distinta dalla loro interazione all'interno della rete ER ampiamente distribuita.
Qui, descriviamo un protocollo per rilevare le interazioni del PLA tra proteine che risiedono nella membrana dello stesso organello e per analizzare la loro vicinanza alla membrana dell'organello partner al MCS. Questo protocollo è stato sviluppato sulla base di due premesse: 1) studi precedenti che dimostrano che, in condizioni di sovraespressione, le proteine di trasferimento lipidico ER ORP5 e ORP8 co-localizzano e interagiscono a livello dei mitocondri ER e dei MCS 12,13,14,15 dell'ER-PM e che ORP5 si localizza ai contatti ER-LD16,17; 2) tecnologie esistenti, tra cui PLA, microscopia confocale, marcatura di organelli e analisi di imaging 3D.
1. Colorazione mitocondriale e saggio di legatura di prossimità (PLA)
2. Acquisizione delle immagini
3. Elaborazione delle immagini e valutazione delle macchie di PLA associate ai mitocondri
Utilizzando il protocollo sopra descritto, abbiamo rilevato i siti di interazione di due proteine di trasferimento lipidico ancorate al reticolo endoplasmatico, ORP5 e ORP8, e valutato la loro presenza nei sottodomini di membrana del reticolo endoplasmatico a contatto con altri organelli, in particolare con i mitocondri. Per questo, la rete mitocondriale nelle cellule HeLa è stata colorata con un marcatore mitocondriale rosso e le macchie verdi del PLA ORP5-ORP8 sono state rilevate dopo la fissazione utilizzando gli ant...
Questo protocollo è stato progettato per identificare e quantificare le interazioni tra le proteine organelle del PLA a livello di MCS, in particolare a livello di MERCS. La novità del protocollo è che combina il PLA con la marcatura di organelli multipli, la microscopia confocale e l'analisi di immagini 3D per localizzare e quantificare le interazioni del PLA tra due proteine che risiedono nella stessa membrana, in questo caso all'interno della membrana ER in stretta prossimità con la membrana dei mitocondri (MAM) o...
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato sostenuto dall'ANR Jeune Chercheur (ANR0015TD), dal Programma ATIP-Avenir, dalla Fondation pour la Recherche Medicale (n°206548) e dalla Fondation Vaincre Alzheimer (eOTP:669122 LS 212527), I'Agence Nationale de la Recherche (ANR-11-EQPX-0029/Morphoscope, ANR-10-INBS-04/FranceBioImaging; ANR-11-IDEX-0003-02/Saclay Plant Sciences).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1X Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (1X DPBS) | Gibco | 14190-094 | |
Ammonium chloride (NH4Cl) | VWR | 21236.291 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A7906 | |
Circular glass coverslips 13mm no. 1.5 | Agar Scientific | L46R13-15 | |
CMXRos red MitoTracker | Invitrogen | M7512 | red mitochondrial marker |
Confocal inverted microscope SP8-X | Leica | DMI 6000 | |
Corning Costar TC-Treated 24-Well Plates | Merck | CLS3526 | |
Duolink In Situ Detection Reagents Green | Sigma | DUO92002 | |
Duolink In Situ Mounting Medium with DAPI | Sigma | DUO82040 | |
Duolink In Situ PLA Probe Anti-Mouse MINUS | Sigma | DUO92004 | |
Duolink In Situ PLA Probe Anti-Rabbit PLUS | Sigma | DUO92014 | |
Duolink In Situ Wash Buffers, Fluorescence | Sigma | DUO82049 | |
Gibco Opti-MEM I Reduced Serum Medium, GlutaMAX Supplement | Gibco | 51985026 | serum free medium |
Imaris software v 9.3 | Bitplane | N/A | cell imaging software |
Incubator UINCU-line IL10 | VWR | 390-0384 | |
Microscope slide StarFrost (3“ x 1“) | Knittel Glass | ||
mouse anti-ORP8 | Santa Cruz | 134409 | |
Paraformaldehyde (PFA) | Sigma | P6148 | |
rabbit anti-ORP5 | Sigma | HAP038712 | |
Saponin | Sigma | 84510 | |
Ultra Pure Distilled Water, DNase/RNase free | Invitrogen | 10977-035 |
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