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Method Article
말은 뛰어난 유산소 운동 능력을 가지고 있어 말 골격근을 말 운동 생리학 연구와 포유류 미토콘드리아 생리학 연구 모두에 중요한 조직으로 만듭니다. 이 기사에서는 말 골격근의 미토콘드리아 기능을 종합적으로 평가하는 기술을 설명합니다.
미토콘드리아 기능(산화적 인산화 및 활성 산소 종의 생성)은 건강과 질병 모두에 중요합니다. 따라서 미토콘드리아 기능을 측정하는 것은 생물 의학 연구의 기본입니다. 골격근은 특히 말과 같이 유산소 능력이 매우 높은 동물에서 미토콘드리아의 강력한 공급원이므로 미토콘드리아 생리학을 연구하는 데 이상적인 과목입니다. 이 기사는 갓 수확한 골격근 미토콘드리아와 함께 동시 형광 측정법과 함께 고해상도 호흡 측정법을 사용하여 다양한 미토콘드리아 상태에서 기질을 산화시키는 능력을 정량화하고 미토콘드리아 호흡의 고유한 요소의 상대적 용량을 결정하는 방법을 보여줍니다. 테트라메틸로다민 메틸에스테르는 동시 산소 플럭스 단위당 생성된 상대적 막 전위를 계산하여 미토콘드리아의 상대적 효율 계산을 포함하여 기질 산화로 인한 미토콘드리아 막 전위의 생성을 입증하는 데 사용됩니다. ADP를 ATP로 전환하면 마그네슘에 대한 아데닐레이트의 친화도가 다르기 때문에 반응 챔버에서 마그네슘 농도가 변경됩니다. 따라서 마그네슘 그린은 ATP 합성 속도를 측정하는 데 사용할 수 있으므로 산화 인산화 효율(산화에 대한 인산화의 비율[P/O])을 추가로 계산할 수 있습니다. 마지막으로, 과산화수소와 결합하면 형광 생성물(레소루핀)을 생성하는 Amplex UltraRed를 사용하면 미토콘드리아 호흡 중 활성 산소 종 생성의 정량화와 ROS 생성과 동시 호흡 간의 관계를 정량화할 수 있습니다. 이러한 기술을 통해 다양한 시뮬레이션 조건에서 미토콘드리아 생리학을 강력하게 정량화할 수 있으므로 이 중요한 세포 구성 요소가 건강과 질병 모두에 기여하는 바를 밝힐 수 있습니다.
진핵 세포의 미토콘드리아는 세포가 일과 유지를 위해 사용하는 ATP의 대부분을 생산한다1. ATP의 미토콘드리아 생산의 핵심 단계는 산소를 물로 전환하는 것이므로, 미토콘드리아와 관련 세포의 대사 능력은 산소 소비량 측정을 통해 자주 정량화된다2. 그러나 미토콘드리아 생리학은 단순한 산소 소비 과정보다 더 복잡하며 이 종점에 대한 의존은 미토콘드리아 기능과 기능 장애가 세포 건강에 미치는 영향에 대한 불완전한 평가를 독점적으로 제공합니다. 미토콘드리아 기능의 완전한 특성화는 산소 소비뿐만 아니라 ATP 및 활성 산소 종(ROS)의 생성에 대한 평가도 필요로 합니다.
주요 미토콘드리아 기능의 추가 측정은 특정 형광단의 사용을 통한 호흡 측정과 동시에 수행될 수 있습니다. 테트라메틸로다민 메틸에스테르(Tetramethylrhodamine methylester, TMRM)는 미토콘드리아 막횡단 전압 전위에 비례하여 미토콘드리아 기질에 축적되는 양이온성 형광단으로, 이 축적으로 인해 형광 강도가 감소한다3. TMRM은 미토콘드리아 막 전위의 상대적 변화를 나타내는 지표로 사용되거나, 형광 신호를 mV로 변환할 수 있는 상수를 결정하기 위한 추가 실험을 통해 막횡단 전압의 정확한 변화를 정량화하는 데 사용할 수 있습니다. 마그네슘 그린(MgG)은 Mg2+와 결합할 때 형광을 발하는 형광단으로, 마그네슘 2가 양이온4에 대한 ADP와 ATP의 미분 친화도를 기반으로 ATP 합성 측정에 사용됩니다. 조사관은 MgG 형광의 변화를 ATP 농도의 변화로 변환하기 위해 특정 분석 조건에서 ADP와 ATP 모두에 대한 특정 친화도/해리 상수(Kd)를 결정해야 합니다. Amplex UltraRed(AmR)는 미토콘드리아 호흡 중 과산화수소 및 기타 ROS의 생성을 측정하는 데 사용되는 형광단이다5. H 2 O2와 AmR (양 고추 냉이 과산화 효소에 의해 촉매 됨) 사이의 반응은 530 nM에서 형광을 통해 검출 가능한 레소 루핀을 생성합니다. 이러한 각 분석은 실시간 미토콘드리아 호흡 분석에 개별적으로 추가되어 미토콘드리아 생리학의 각 측면에 대한 동시 측정을 제공하여 호흡과 미토콘드리아 출력 사이의 직접적인 연결을 제공할 수 있습니다.
말은 부분적으로 말 골격근의 미토콘드리아 함량이 매우 높기 때문에 질량별 산소 소비율이 매우 높기 때문에 이 조직은 미토콘드리아 생리학 연구와 매우 관련이 있습니다. 고해상도 호흡 측정법의 개발과 함께 이 새로운 기술을 사용한 연구는 말의 놀라운 운동 능력과 골격근 질환의 병태생리학 모두에 대한 말 골격근 미토콘드리아의 기여를 정의하는 데 도움이 되었습니다 6,7,8,9,10,11,12,13,14 . 말 골격근 미토콘드리아 기능에 대한 연구는 이 조직을 다량 얻는 것이 말단이 아니기 때문에 특히 유리합니다. 따라서 말 피험자는 미토콘드리아 기능의 완전한 특성화를 위한 충분한 조직을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 미토콘드리아 생리학에 대한 고품질의 기계론적 연구를 위한 종단 제어 역할도 할 수 있습니다. 이러한 이유로 말 골격근에서 미토콘드리아 생리학의 보다 강력한 특성을 제공하기 위해 미토콘드리아 막 전위, ATP 합성 및 이 조직의 산소 소비 측정을 보완하는 ROS 생성을 정량화하기 위한 추가 분석이 개발되었습니다.
이 연구는 오클라호마 주립 대학 기관 동물 관리 및 사용 위원회의 승인을 받았습니다. 이 연구에서는 4개의 서러브레드 겔딩(17.5 ± 1.3년, 593 ± 45kg)을 사용하여 대표적인 결과를 생성했습니다.
1. 골격근 생검 표본 얻기
2. 고해상도 호흡기 설정
3. TMRM을 이용한 미토콘드리아 막 전위 측정
4. 마그네슘 그린(MgG)을 이용한 ATP 생산량 측정
5. Amplex UltraRed(AmR)를 이용한 ROS의 미토콘드리아 생성 측정
6. 미토콘드리아 호흡 측정
제안된 기준 상태는 건강한 좌식 서러브레드(의무 운동으로 인한 체력 증가 없음)와 자세 근육의 중심에서 수집된 신선한 근육 샘플로, 높은 비율의 미토콘드리아가 풍부한 I형 골격근 섬유를 함유하고 휴식 신진대사에 가까운 조건(즉, 38°C 및 pH 7.0). 이러한 조건에서 연구자는 2.71 ± 0.90의 LN 값, 62.40 ± 26.22의 PN 값, 93.67 ± 34.76의PN+S 값 및 46.93 ± 14.58 pmol O2 x s-1 x
고분해능 호흡기의 표준 출력에 형광 신호를 추가하면 미토콘드리아 생리학에 관한 귀중한 정보를 얻을 수 있지만, 형광 신호의 세심한 보정은 양질의 데이터를 위해 매우 중요합니다. MgG 사용에 대한 원래의 프로토콜은 마그네슘-아데닐레이트 해리 상수를 계산하는 동안 생성된 검량선이 후속 분석에 적용될 수 있음을 시사한다4; 그러나 MgG의 형광 신호는 이 접근법에 대한 분?...
저자는 이 원고와 관련된 이해 상충이 없습니다.
저자는 John and Debbie Oxley Endowed Chair for Equine Sports Medicine과 Grayson Jockey Club Research Foundation의 아낌없는 지원에 감사드립니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ADP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A5285 | |
Amplex UltraRed | Life Technologies | A36006 | |
ATP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A2383 | |
BSA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | A6003 | |
Calcium carbonate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C4830 | |
CCCP | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | C2759 | |
DatLab 7.0 | Oroboros Inc | Software to operate O2K fluororespirometer | |
Dithiothreitol | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D0632 | |
DTPA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | D1133 | |
EGTA | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | E4378 | |
Glutamate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | G1626 | |
HEPES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | H7523 | |
Horseradish peroxidase | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P8250 | |
Hydrogen peroxide | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 516813 | Must be made fresh daily prior to assay |
Imidazole | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | I2399 | |
K-MES | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M8250 | |
Magnesium chloride hexahydrate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M9272 | |
Magnesium Green | Thermo Fisher Scientific | M3733 | |
Malate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M1000 | |
Mannitol | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | M9647 | |
Mitochondrial isolation kit | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | MITOISO1 | |
O2K fluororespirometer | Oroboros Inc | Multiple units required to run full spectrum of assays concurrently. | |
Phosphocreatine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P7936 | |
Potassium hydroxide | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P1767 | |
Potassium lactobionate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | L2398 | |
Potassium phosphate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P0662 | |
Pyruvate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | P2256 | Must be made fresh daily prior to assay |
Rotenone | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | R8875 | |
Succinate | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S2378 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | 84097 | |
Superoxide dismutase | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | S8160 | |
Taurine | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T0625 | |
Titration pump | Oroboros Inc | ||
Titration syringes | Oroboros Inc | ||
TMRM | Sigma-Aldrich (MilliporeSigma) | T5428 | |
UCH biopsy needle | Millenium Surgical Corp | 72-238067 | Available in a range of sizes |
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