Agradecemos ao Centro Tufts para Neuroscience Research, P30 NS047243 (Jackson), a mitocôndria Affinity Pesquisa Colaborativa (mtARC), apoiado pelo Centro de Investigação Biomédica Evans Interdisciplinar da Universidade de Boston Medical Campus, Medicine Corporation Link, e Zeiss para apoiar este trabalho.

1. Preparação Placa Imagem <ol><li> Cultura INS1 células em meio RPMI contendo 10% de soro fetal bovino padrão, 1% de penicilina-estreptomicina, 2 mM de L-glutamina, 50 mM 2-mercaptoetanol, 5 mM de NaHCO3, 2 mM de HEPES, 2 mM de ácido pirúvico, e 11 mM de glucose a 80% de confluência. </li><li> Trypsinize as culturas de células INS1 com tripsina a 0,05% ea placa-los em poli-D-lisina placas revestidas com lamela de fundo de imagem (% de confluência 30-40). </li><li> Permitir para placas de atingir confluência de 60-80% (~ 2 dias) e adicionar matriz mitocondrial alvo (COXVIII) adenoviral PA-GFP durante 24 horas (MOI = 5). Meios câmbio e permitem que as células a crescer por mais 2 dias antes de imagem. </li><li> No dia da imagem, adicionar 7-15 TMRE nM para as placas de imagem, e equilibrar durante pelo menos 45 min. </li><li> Durante este por sua vez, tempo na incubadora (fase superior incubadora tem sido usado aqui) e permitir que o microscópio para equilibrar a 37 ° C durante cerca de 1 hora. Ligue o 5% de CO 2. </li&gt; </ol> 2. Parâmetros de imagem para a LSM 710 microscópio confocal Zeiss <ol><li> Após o microscópio tem equilibrado, sob a guia de Aquisição, clique em &quot;Ferramentas manual mostram&quot;, abra a imagem criada painel e escolha &quot;modo de canal&quot; e mude acompanhar cada &quot;frame&quot;. </li><li> No painel caminho da luz, escolha LSM e modo de canal. Trabalhando a partir do ícone do espécime para cima, selecione &quot;traseiro&quot;, MBS 690 +, e MBS 488. Na parte inferior do painel, escolher &quot;T-PMT&quot;, para permitir a visualização do campo brilhante ou canal DIC. </li><li> Termine o ajuste dos parâmetros de caminho de luz, definindo o intervalo para o corante GFP para 490-540 nm e 580-700 nm para o corante TMRE. </li><li> No modo de aquisição, use um de 512 × 512 pixels campo de leitura, 4x médios, e escolher um fator de zoom (que você pode querer manter consistente para fins de calibração). </li></ol> 3. Otimizar os parâmetros de imagem <ol><li> Usando o Apochromat plano 100x (1,4 NA) lente objetiva, focnos em suas células com a luz halógena não, luz fluorescente, para proteger as mitocôndrias de fototoxicidade. </li><li> Tela para PA-GFP células que expressam através de um orifício aberto e máxima de varredura para encontrar as células que são mais brilhantes verde. </li><li> Encontrar a mais baixa potência do laser 2-fotão necessária para activar a PA-GFP e optimizar os parâmetros de imagem que assegurem que o sinal não saturar o detector. Verificar que o sinal PA-GFP colocalizes com o sinal de TMRE para poucos z-série. Perda do sinal de TMRE indica despolarização mitocondrial ou fototoxicidade, e as células apresentando estas características não deve ser utilizado para a análise. </li><li> Encontre uma célula PA-GFP expressar e especificar um fator de zoom. </li><li> Defina o intervalo de z-série para coletar 6 fatias (este intervalo será necessário para satisfazer todas as 10 células a menos que um específico z foco é definida em cada posição). </li><li> Salve o método de imagem para cada célula (célula 1, célula 2 etc.) </li></ol> 4. Ajuste o AutomateParcela d do Programa e designar as 10 células a serem seguidas para o 1 ensaio de fusão Hora mitocondrial <ol><li> No painel esquerdo da janela multitime, selecione a opção &quot;salvar&quot; do painel, e especifique o local onde os arquivos serão salvos. </li><li> Em a &quot;Aquisição&quot; do painel, carregue o método de aquisição salvo para a célula 1 na configuração de digitalização e marque a caixa de pilha z. Além disso, escolha &quot;marcado Z-meio da pilha z&quot;. </li><li> No &quot;blocos&quot; do painel, selecione &quot;bloco único em cada local&quot;. Clique em &quot;Adicionar&quot; blocos para cada intervalo a ser medido. </li><li> No &quot;timing&quot; do painel, selecione &quot;esperar intervalo&quot; e digite &quot;0&quot; no &quot;intervalo de espera antes de bloco no primeiro local só&quot;. Blocos 2-4 terá &quot;15 minutos&quot; nesta seção. </li><li> No painel Local, escolha &quot;mover o foco para carregar posição entre os locais&quot; e &quot;carga varredura config quando &#39;mover-se para loc&quot; ou &quot;próximo loc&#39; clicado. Sob a&quot; lista de locais de edição &quot;escolher&quot; limpar tudo &quot;e selecione&quot; múltipla locais motorizada palco &quot;. </li><li> Under o &quot;Bleach&quot; do painel, clique em &quot;branquear&quot; caixa, e designar o arquivo de configuração no &quot;config&quot; no menu suspenso, como designado na janela do software principal. Em seguida, no &quot;branqueamento&quot; janela, salve o método de fotoativação apropriado. No painel regiões, escolha o ROI dessa célula em particular, e adicionar este ROI para o multitime escolhendo &quot;região atual adicionar à lista de ROI&quot; janela. Certifique-se de selecionar o mesmo local na &quot;ROI&quot; no menu suspenso. </li></ol> Para a temporização para funcionar correctamente e para cada célula de ter um intervalo de 15 minutos, dois métodos necessitam de ser guardada. Na lista de blocos, o primeiro terá a configuração de fotoativação &quot;real&quot;, eo resto vai ter uma configuração &quot;mock&quot; que não usa o laser de dois fótons. O primeiro bloco também será o único bloco que não tem um atraso (BKIntv = 0). Portanto, o método começa com um exame inicial, seguido de uma verificação de fotoactivação. O resto dos blocos têm um 900 seg BkIntv, eem cada ponto de tempo, existem dois exames assim como em tempo de 0 segundos, para manter a consistência de temporização. <ol start="7"><li> Para cada uma das 10 células a serem seguidos ao longo do tempo, realizar esta sequência: Encontre um PAGFP expressar células salvar seu método de imagem Localização do painel de marcar a posição etapa, especificar o método de imagem Principal ROI painel de escolher uma região de interesse para ser Bleach fotoativado painel de salvar ROI específico e também carregá-lo na caixa de ROI: Apague o ROI e redefinir o zoom varredura a 1 Encontrar a próxima célula e definir o zoom Repetir o processo para os próximos 9 células </li></ol> Verifique se cada local palco e todos os blocos têm o método de imagem adequado (scan configuração) associado. Também certifique-se que o primeiro bloco em cada local corresponde ao método de fotoativação apropriado, enquanto o resto conter um método &quot;mock&quot;. Finalmente, selecione &quot;executar&quot;. 5. Analisar a intensidade do sinal PA-GFP <ol><li&gt; Para as células em que o sinal fotoactivável-GFP colocalizes com o sinal de TMRE vermelho, subtrair o fundo nas imagens PAGFP (aqui usamos metamorph). </li><li> Em seguida, exportar os dados para o Excel e calcular a intensidade média de z-pilhas em cada momento. Descartar secções ópticas que não têm nenhum sinal. </li><li> Medir a diluição do sinal em cada pilha z-através do cálculo da percentagem do sinal original fotoativado. </li></ol> Cada ponto de dados é digitalizado e registada duas vezes, resultando em informações z pilha duplicado para cada ponto de tempo. Verifique se os valores z-stack concordar. Se não, o que é indicativo de um problema (por exemplo, o foco do movimento das células,). 6. Os resultados representativos Quando um evento de fusão ocorre entre uma activado e não-activado PA-GFP mitocôndria, o PAGFP dentro da matriz mitocondrial mistura-se com a matriz não-etiquetados e torna-se diluída sobre uma área maior, diminuindo o sinalintensidade (Figura 1A). Na célula INS1, uma diminuição significativa da intensidade do sinal ocorre a cada 15 minutos, até que o equilíbrio de fusão mitocondrial foi atingido (aproximadamente 1 hora). Note-se que a célula na Figura 1B apresenta colocalização quase completo de PA-GFP e os sinais de TMRE. Nestes ensaios uma concentração muito baixa de TMRE (15 nM) é usado para ajudar a atingir o fotoactivação de PAGFP, e também para controlar a saúde célula. As células com uma abundância de mitocôndrias despolarizada terá colocalização incompleta de PAGFP e TMRE e não devem ser analisados, porque isso indica quer fototoxicidade, ou células num estado de morrer. O tempo de equilíbrio para a fusão mitocondrial é geralmente de 1 hora em INS1 células, quando ~ 15% do volume mitocondrial é activado. Às vezes, mesmo se uma pequena área é iluminada, a maioria das mitocôndrias tornar-se fotoativados devido a ser altamente rede, caso em que a fusão adicional é difícil de detectar. Outros tipos de células podem apresentar tempos de equilíbrio diferentes, e devem ser testados em intervalos mais curtos e mais de um período mais longo para caracterizar a dinâmica mitocondriais. Para inibir a fusão mitocondrial, as células podem ser colocadas dentro de um ambiente lipotoxic. Foi previamente demonstrado que 0,4 mM palmitato fragmentos mitocôndrias, e inibe a fusão mitocondrial 9. Este efeito pode ser visto na Figura 2, onde as mitocôndrias são fragmentados, mas a intensidade do sinal da mtPAGFP não muda, tanto quanto sob condições normais (Figura 1). Portanto, a diluição do sinal PA-GFP é provável que seja devido à fusão mitocondrial em vez de fissão. Em outros tipos de células, sugerimos utilizando outros métodos conhecidos para induzir a fragmentação mitocondrial, tais como o silenciamento OPA1 que é necessária para a fusão mitocondrial 14. <img alt="A Figura 1" src="/files/ftp_upload/3991/3991fig1.jpg" /> Figura 1. </strong&gt; diluição típica do sinal PA-GFP após fotoactivação durante um ensaio de fusão mitocondrial. A. PA-GFP se torna progressivamente mais escura devido a eventos de fusão mitocondriais que conduzem à diluição da proteína sobre uma área crescente como pode ser visto nestas imagens projectadas de 6 secções ópticas quantificado em intervalos de 15 minutos. B. TMRE com PA-GFP mostra que as mitocôndrias são ativos e não despolarizada. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/3991/3991fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver maior figura</a> . <img alt="A Figura 2" src="/files/ftp_upload/3991/3991fig2.jpg" /> Figura 2. Fusão mitocondrial inibida com 0,4 mM de palmitato diminui a diluição de PA-GFP. A. Projecções de 6 secções ópticas mostrando mitocôndrias curto com uma intensidade de sinal imutável ao longo do tempo. B. colocalização de PA-GFP com TMRE mostra que as mitocôndrias não são depolarizada. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/3991/3991fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver maior figura</a> .

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Produção e acesso gratuito a este artigo é patrocinado pela Zeiss, Inc.

Este método permite a criação de imagens de cerca de 10 células de cada vez, se a aquisição ocorre a cada 15 minutos após a fotoactivação. O número exato de células dependerá da rapidez com que um é capaz de localizar e marcar as células que expressam mtPAGFP dentro da placa de cultura, e quão rapidamente pode-se configurar todos os parâmetros de software. Para fazer a automação de correr suavemente uma camada uniforme de células deve ser usado porque os designados z-stack margens será aplicada para todas as células. O tamanho desta área fotoactivação inicial regerá o tempo de equilíbrio. Para ser capaz de medir a fusão mitocondrial, é importante para a fotoativação apenas 10-20% da rede, de tal modo que a propagação do sinal para o resto da rede pode ser monitorizado ao longo do tempo. Se for muito grande parte da rede é fotoativados, é possível que a fusão completa irá ocorrer muito rapidamente, eo evento não será capturada. Cuidado extremo deve ser levado paraajustar a potência do laser do laser de dois fotões, bem como a concentração TMRE para evitar fototoxicidade o que leva a despolarização mitocondrial. Garantir que o sinal mtPAGFP colocalizes com o sinal TMRE pode ajudar a avaliar a fototoxicidade e de saúde geral das células 8,15. Iluminação com luz epifluoerescent deve ser evitada. Embora a pesquisa de células que expressam mtPAGFP, o pinhole deve ser maximamente aberto durante a digitalização com uma excitação de baixa potência 488 nm. Ajustando a potência do laser de dois fotões para a fotoativação suficiente PA-GFP para medir o sinal ao longo de 1 hora, mas não para oversaturate qualquer uma das células pode ser complicado 8. Entretanto, o tempo deve ser gasto nesta etapa de otimização porque o programa uma vez automatizado é iniciado, ele é entediante para pará-lo, para escolher mais células, e currículo. Para controle de qualidade, a aquisição de um contraste de interferência diferencial (DIC) imagem (ou luz transmitida) para monitorar o foco sobre as células podem ser muitoútil e também uma boa maneira de detectar bolhas formadas no óleo de imersão durante a digitalização, o que por vezes acontece a partir dos movimentos do palco. Apesar de usar esse método mtPAGFP reúne dados sobre o movimento unidirecional de proteínas da matriz mitocondrial da mitocôndria fotoativado para aqueles que não estão rotulados, é concebível para utilizar esta técnica para estudar outros processos. Por exemplo, fluorocromos específicos pode ser ligado a proteínas de membrana para observar o seu movimento específico durante eventos de fusão, como foi mostrado para ABC-me, a fusão de que ocorre numa escala de tempo diferente a partir da mistura de proteínas da matriz solúveis 15.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td></tr><tr><td> COXIII-adenoviral PA-GFP </td><td> Lippincott-Schwartz </td><td></td></tr><tr><td> TMRE </td><td> Invitrogen </td><td> T669 </td></tr><tr><td> Zeiss LSM 710 confocal </td><td> Zeiss </td><td></td></tr></tbody></table>

a faster, high resolution, mtpa-gfp-based mitochondrial fusion assay acquiring kinetic data of multiple cells in parallel using confocal microscopy

Mitochondrial fusion plays an essential role in mitochondrial calcium homeostasis, bioenergetics, autophagy and quality control. Fusion is quantified in living cells by photo-conversion of matrix targeted photoactivatable GFP (mtPAGFP) in a subset of mitochondria. The rate at which the photoconverted molecules equilibrate across the entire mitochondrial population is used as a measure of fusion activity. Thus far measurements were performed using a single cell time lapse approach, quantifying the equilibration in one cell over an hour. Here, we scale up and automate a previously published live cell method based on using mtPAGFP and a low concentration of TMRE (15 nm). This method involves photoactivating a small portion of the mitochondrial network, collecting highly resolved stacks of confocal sections every 15 min for 1 hour, and quantifying the change in signal intensity. Depending on several factors such as ease of finding PAGFP expressing cells, and the signal of the photoactivated regions, it is possible to collect around 10 cells within the 15 min intervals. This provides a significant improvement in the time efficiency of this assay while maintaining the highly resolved subcellular quantification as well as the kinetic parameters necessary to capture the detail of mitochondrial behavior in its native cytoarchitectural environment.
Mitochondrial dynamics play a role in many cellular processes including respiration, calcium regulation, and apoptosis1,2,3,13. The structure of the mitochondrial network affects the function of mitochondria, and the way they interact with the rest of the cell. Undergoing constant division and fusion, mitochondrial networks attain various shapes ranging from highly fused networks, to being more fragmented. Interestingly, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, Charcot Marie Tooth 2A, and dominant optic atrophy have been correlated with altered mitochondrial morphology, namely fragmented networks4,10,13. Often times, upon fragmentation, mitochondria become depolarized, and upon accumulation this leads to impaired cell function18. Mitochondrial fission has been shown to signal a cell to progress toward apoptosis. It can also provide a mechanism by which to separate depolarized and inactive mitochondria to keep the bulk of the network robust14. Fusion of mitochondria, on the other hand, leads to sharing of matrix proteins, solutes, mtDNA and the electrochemical gradient, and also seems to prevent progression to apoptosis9. How fission and fusion of mitochondria affects cell homeostasis and ultimately the functioning of the organism needs further understanding, and therefore the continuous development and optimization of how to gather information on these phenomena is necessary.
Existing mitochondrial fusion assays have revealed various insights into mitochondrial physiology, each having its own advantages. The hybrid PEG fusion assay7, mixes two populations of differently labeled cells (mtRFP and mtYFP), and analyzes the amount of mixing and colocalization of fluorophores in fused, multinucleated, cells. Although this method has yielded valuable information, not all cell types can fuse, and the conditions under which fusion is stimulated involves the use of toxic drugs that likely affect the normal fusion process. More recently, a cell free technique has been devised, using isolated mitochondria to observe fusion events based on a luciferase assay1,5. Two human cell lines are targeted with either the amino or a carboxy terminal part of Renilla luciferase along with a leucine zipper to ensure dimerization upon mixing. Mitochondria are isolated from each cell line, and fused. The fusion reaction can occur without the cytosol under physiological conditions in the presence of energy, appropriate temperature and inner mitochondrial membrane potential. Interestingly, the cytosol was found to modulate the extent of fusion, demonstrating that cell signaling regulates the fusion process 4,5. This assay will be very useful for high throughput screening to identify components of the fusion machinery and also pharmacological compounds that may affect mitochondrial dynamics. However, more detailed whole cell mitochondrial assays will be needed to complement this in vitro assay to observe these events within a cellular environment.
A technique for monitoring whole-cell mitochondrial dynamics has been in use for some time and is based on a mitochondrially-targeted photoactivatable GFP (mtPAGFP)6,11. Upon expression of the mtPAGFP, a small portion of the mitochondrial network is photoactivated (10-20%), and the spread of the signal to the rest of the mitochondrial network is recorded every 15 minutes for 1 hour using time lapse confocal imaging. Each fusion event leads to a dilution of signal intensity, enabling quantification of the fusion rate. Although fusion and fission are continuously occurring in cells, this technique only monitors fusion as fission does not lead to a dilution of the PAGFP signal6. Co-labeling with low levels of TMRE (7-15 nM in INS1 cells) allows quantification of the membrane potential of mitochondria. When mitochondria are hyperpolarized they uptake more TMRE, and when they depolarize they lose the TMRE dye. Mitochondria that depolarize no longer have a sufficient membrane potential and tend not to fuse as efficiently if at all. Therefore, active fusing mitochondria can be tracked with these low levels of TMRE9,15. Accumulation of depolarized mitochondria that lack a TMRE signal may be a sign of phototoxicity or cell death. Higher concentrations of TMRE render mitochondria very sensitive to laser light, and therefore great care must be taken to avoid overlabeling with TMRE. If the effect of depolarization of mitochondria is the topic of interest, a technique using slightly higher levels of TMRE and more intense laser light can be used to depolarize mitochondria in a controlled fashion (Mitra and Lippincott-Schwartz, 2010). To ensure that toxicity due to TMRE is not an issue, we suggest exposing loaded cells (3-15 nM TMRE) to the imaging parameters that will be used in the assay (perhaps 7 stacks of 6 optical sections in a row), and assessing cell health after 2 hours. If the mitochondria appear too fragmented and cells are dying, other mitochondrial markers, such as dsRED or Mitotracker red could be used instead of TMRE.
The mtPAGFP method has revealed details about mitochondrial network behavior that could not be visualized using other methods. For example, we now know that mitochondrial fusion can be full or transient, where matrix content can mix without changing the overall network morphology. Additionally, we know that the probability of fusion is independent of contact duration and organelle dimension, is influenced by organelle motility, membrane potential and history of previous fusion activity8,15,16,17.
In this manuscript, we describe a methodology for scaling up the previously published protocol using mtPAGFP and 15nM TMRE8 in order to examine multiple cells at a time and improve the time efficiency of data collection without sacrificing the subcellular resolution. This has been made possible by the use of an automated microscope stage, and programmable image acquisition software. Zen software from Zeiss allows the user to mark and track several designated cells expressing mtPAGFP. Each of these cells can be photoactivated in a particular region of interest, and stacks of confocal slices can be monitored for mtPAGFP signal as well as TMRE at specified intervals. Other confocal systems could be used to perform this protocol provided there is an automated stage that is programmable, an incubator with CO2, and a means by which to photoactivate the PAGFP; either a multiphoton laser, or a 405 nm diode laser.

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A Faster, High Resolution, mtPA-GFP-based Mitochondrial Fusion Assay Acquiring Kinetic Data of Multiple Cells in Parallel Using Confocal Microscopy

Fusão mitocondrial foi medida seguindo o equilíbrio da GFP matriz segmentada photoconverted através da rede mitocondrial ao longo do tempo. Até agora, apenas uma célula possa ser sujeita a uma análise de longo horas cinética de cada vez. Nós apresentamos um método que mede simultaneamente várias células, acelerando assim o processo de coleta de dados.

Uma resolução mais rápida, alta, MTPA-GFP baseada em ensaio de fusão mitocondrial aquisição de dados cinéticos de várias células em paralelo usando microscopia confocal

Mitochondrial fusion plays an essential role in mitochondrial calcium homeostasis, bioenergetics, autophagy and quality control. Fusion is quantified in ...

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16.4K visualizações.  Tufts School of Medicine. Fusão mitocondrial foi medida seguindo o equilíbrio da GFP matriz segmentada photoconverted através da rede mitocondrial ao longo do tempo. Até agora, apenas uma célula possa ser sujeita a uma análise de longo horas cinética de cada vez. Nós apresentamos um método que mede simultaneamente várias células, acelerando assim o processo de coleta de dados.

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