Wir danken den Mitgliedern des Evans-Labors für ihr aufmerksames Feedback zu diesem Manuskript. Diese Arbeit wird von Duke Whitehead Scholars, Duke Science and Technology Scholars und dem Hanna Gray Fellowship des Howard Hughes Medical Institute (HHMI) unterstützt. Abbildung 1A wurde mit BioRender.com erstellt.

1. Vorbereitung biologischer Proben
Anmerkungen: Führen Sie die folgenden Schritte mit steriler Technik in einer Biosicherheitswerkbank durch. Besprühen Sie die Oberfläche des Gehäuses und alle Materialien mit 70% Ethanol.
<ol><li>HeLa-Zellkultivierung und -transfektion<ol><li>Kultur von 30.000 HeLa-Zellen in Dulbeccos modifiziertem Adlermedium (DMEM) mit 4,5 g/l Glukose, ergänzt mit 10 % fötalem Kälberserum und 1 % L-Glutaminlösung (HeLa media; siehe Materia...

Quantifizierung des mitochondrialen Membranpotentials und der Superoxidspiegel

Der hier skizzierte Workflow kann verwendet werden, um das mitochondriale Membranpotenzial und die Superoxidkonzentrationen mit Hilfe der fluoreszenzbasierten Bildgebung robust und reproduzierbar zu quantifizieren30. Es gibt wichtige technische Einschränkungen, die bei der Planung dieser Experimente zu berücksichtigen sind. HeLa-Zellen wurden mit einem leeren YFP-Vektor, YFP-ParkinWT oder YFP-ParkinT240R, transfiziert. Der leere YFP-Vektor wurde als Kontrolle verwendet, um ...

Das mitochondriale Netzwerk besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Organellen, die eine entscheidende Rolle bei der Energieproduktion1, der angeborenen Immunität 2,3 und der zellulären Signalübertragung 4,5 spielen. Mitochondriale Dysregulation wurde mit neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit (PD) in Verbindung gebracht6,7. Parkinson ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, die dopaminerge Neuronen der Substantia nigra betrifft und von der weltweit fast 10 Millionen Menschen betroffen sind8. Parkinson wurde genetisch mit der Mitophagie in Verbindung gebracht, einem mitochondrialen Qualitätskontrollweg, der für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase notwendig ist und beschädigte Mitochondrien selektiv entfernt 9,10. Studien haben mehrere unabhängige Mitophagie-Signalwege identifiziert, darunter die FUN14-Domäne mit 1 (FUNDC1)-vermittelter Mitophagie, die Bcl-2-interagierende Protein 3 (BNIP3)-geförderte Mitophagie, die NIX-abhängige Mitophagie und die gut charakterisierte PTEN-induzierte Kinase 1 (PINK1)/Parkin-regulierte Mitophagie10,11. PINK1 (eine mutmaßliche Kinase) und Parkin (eine E3-Ubiquitin-Ligase) arbeiten zusammen, um geschädigte Mitochondrien mit Phospho-Ubiquitinat zu versorgen, was die Bildung von Autophagosomen antreibt, die die beschädigte Organelle umhüllen und mit Lysosomen verschmelzen, um den Abbau einzuleiten 12,13,14,15,16. Mutationen bei Parkin wurden mit Parkinson-assoziierten Phänotypen wie Neurodegeneration über den Verlust dopaminerger Neuronen in Verbindung gebracht17,18.
Hier wird ein Protokoll beschrieben, in dem HeLa-Zellen, routinemäßig verwendete immortalisierte Zellen aus Gebärmutterhalskrebs, verwendet werden, um die Rolle von Parkin bei der Aufrechterhaltung der Gesundheit des mitochondrialen Netzwerks zu untersuchen. HeLa-Zellen exprimieren vernachlässigbare Mengen an endogenem Parkin und benötigen daher eine exogene Parkin-Expression19. Um die Rolle von Parkin für die Gesundheit des mitochondrialen Netzwerks zu untersuchen, werden HeLa-Zellen entweder mit Wildtyp-Parkin (ParkinWT), einer Parkin-Mutante (ParkinT240R) oder einem leeren Kontrollvektor transfiziert. ParkinT240R ist eine autosomal-rezessiv vererbte juvenile Parkinsonismus-Mutation, die die Aktivität der Parkin-E3-Ligase beeinträchtigt und die Effizienz des Mitophagie-Signalwegssignifikant verringert 20. HeLa-Zellen unterliegen milden (5 μM) oder schweren (20 μM) Konzentrationen von Carbonylcyanid m-Chlorphenylhydrazon (CCCP), einem mitochondrialen Entkopplungsmittel. Die Behandlung mit schweren Konzentrationen von CCCP wird routinemäßig eingesetzt, um Parkin-vermittelte Mitophagie in verschiedenen Zelllinien, wie z. B. HeLa- und COS-7-Zellen, zu induzieren21,22,23.
Nach der Behandlung verwendet das Protokoll eine Live-Bildgebung des mitochondrialen Netzwerks unter Verwendung von zwei derzeit verfügbaren mitochondrialen Fluoreszenzfarbstoffen. Tetramethylrhodamin, Ethylester, Perchlorat (TMRE) ist ein kationischer Farbstoff, der auf der Grundlage des mitochondrialen Membranpotentials24 fluoresziert, während MitoSOX ein mitochondrialer Superoxidindikator ist, bei dem die Fluoreszenzintensität eine Funktion der Superoxidkonzentrationist 25. Schließlich verwendet das skizzierte Protokoll eine fluoreszenzbasierte Quantifizierung und einen einfachen Arbeitsablauf, um das mitochondriale Membranpotenzial und den Superoxidgehalt mit minimalem Spielraum für Benutzerverzerrungen effektiv zu quantifizieren. Obwohl dieses Protokoll entwickelt wurde, um die mitochondriale Funktion in HeLa-Zellen zu untersuchen, kann es für weitere Zelllinien und primäre Zelltypen angepasst werden, um die Gesundheit des mitochondrialen Netzwerks quantitativ zu charakterisieren.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemicals, Peptides, and Recombinant Proteins</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCCP (carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone)&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>C2759</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM (1x) with 4.5 g/L glucose</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11-965-084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO, Anhydrous</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>D12345</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Hyclone</td>
			<td>SH3007103</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FuGENE 6 (Tranfection Reagent)</td>
			<td>Promega</td>
			<td>E2691</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GlutaMAX 100x (L-Glutamine Solution)&#160;</td>
			<td>Gibco&#160;</td>
			<td>35-050-061</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hoescht 33342</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>62249</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MitoSOX&#160; Red&#160;</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>M36008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MitoTracker Deep Red</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>M7514</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Opti-MEM (Redued Serum media)</td>
			<td>ThermoFisher scientific</td>
			<td>31985070</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tetramethylrhodamine, Ethyl Ester, Perchlorate (TMRE)&#160;</td>
			<td>ThermoFisher Scientific</td>
			<td>T669</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Experimental models: Organisms/Strains</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HeLa-M (Homo sapiens)</td>
			<td>A. Peden (Cambridge Institute for Medical Research)</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant DNA</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EYFP Empty Vector</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YFP-Parkin T240R</td>
			<td>This Paper</td>
			<td>Generated by site-directed mutagenesis from YFP-Parkin</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YFP-Parkin WT</td>
			<td>Addgene; PMID:19029340</td>
			<td>RRID:Addgene_23955</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software and Algorithms</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adobe Illustrator</td>
			<td>Adobe Inc.</td>
			<td>https://www.adobe.com/products/illustrator</td>
			<td>(Schindelin, 2012)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excel (Spreadsheet Software)</td>
			<td>Microsoft Office&#160;</td>
			<td>https://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/excel</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td></td>
			<td>https://imagej.net/software/fiji/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leica Application Suite (LAS X)</td>
			<td>Leica</td>
			<td>https://www.leica-microsystems.com/products/microscope-software/p/leica-las-x-ls/</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microsoft Excel</td>
			<td>Microsoft Office</td>
			<td>https://www.microsoft.com/excel</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Prism9 (Statistical Analysis Software)</td>
			<td>GraphPad Software</td>
			<td>https://www.graphpad.com</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Other</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>35 mm Dish, No. 1.5 Coverslip, 20 mm Glass Diameter, Uncoated</td>
			<td>MatTek</td>
			<td>P35G-1.5-20-C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cage Incubator (Environmental Chamber)</td>
			<td>Okolab</td>
			<td>https://www.oko-lab.com/cage-incubator</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMiL Inverted Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LIGHTNING Deconvolution Software</td>
			<td>Leica</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>STELLARIS 8 confocal microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fluorescence-based quantification of mitochondrial membrane potential and superoxide levels using live imaging in hela cells

Mitochondrien sind dynamische Organellen, die für die metabolische Homöostase entscheidend sind, indem sie die Energieproduktion durch ATP-Synthese steuern. Um den Zellstoffwechsel zu unterstützen, arbeiten verschiedene mitochondriale Qualitätskontrollmechanismen zusammen, um ein gesundes mitochondriales Netzwerk aufrechtzuerhalten. Ein solcher Weg ist die Mitophagie, bei der die PTEN-induzierte Kinase 1 (PINK1) und die Parkin-Phospho-Ubiquitinierung geschädigter Mitochondrien die Sequestrierung von Autophagosomen und die anschließende Entfernung aus der Zelle durch Lysosomenfusion erleichtern. Mitophagie ist wichtig für die zelluläre Homöostase, und Mutationen in Parkin werden mit der Parkinson-Krankheit (PD) in Verbindung gebracht. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde ein erheblicher Schwerpunkt auf die Untersuchung der mitochondrialen Schädigung und des Umsatzes gelegt, um die molekularen Mechanismen und die Dynamik der mitochondrialen Qualitätskontrolle zu verstehen. In dieser Arbeit wurde die Bildgebung lebender Zellen verwendet, um das mitochondriale Netzwerk von HeLa-Zellen sichtbar zu machen, um das mitochondriale Membranpotenzial und die Superoxidspiegel nach der Behandlung mit Carbonylcyanid m-chlorphenylhydrazon (CCCP), einem mitochondrialen Entkopplungsmittel, zu quantifizieren. Darüber hinaus wurde eine PD-chromosomale Mutation von Parkin (ParkinT240R) exprimiert, die die Parkin-abhängige Mitophagie hemmt, um zu bestimmen, wie sich die mutierte Expression auf das mitochondriale Netzwerk im Vergleich zu Zellen auswirkt, die Wildtyp-Parkin exprimieren. Das hier beschriebene Protokoll beschreibt einen einfachen Arbeitsablauf mit fluoreszenzbasierten Ansätzen zur effektiven Quantifizierung des mitochondrialen Membranpotentials und des Superoxidspiegels.

The mitochondrial network is a series of interconnected organelles that play a crucial role in energy production1, innate immunity2,3, and cell signalling4,5. Mitochondrial dysregulation has been associated with neurodegenerative diseases such as Parkinson&#39;s disease (PD)6,7. PD is a progressive neurodegenerative disorder affecting dopaminergic neurons of the substantia nigra that impacts nearly 10 million people worldwide8. PD has been genetically linked to mitophagy, a mitochondrial quality control pathway necessary for maintaining cellular homeostasis that selectively removes damaged mitochondria9,10. Studies have identified multiple independent mitophagy pathways, including FUN14 domain containing 1 (FUNDC1)-mediated mitophagy, Bcl-2 interacting protein 3 (BNIP3)-facilitated mitophagy, NIX-dependent mitophagy, and the well-characterized PTEN-induced kinase 1 (PINK1)/Parkin-regulated mitophagy10,11. PINK1 (a putative kinase) and Parkin (an E3 ubiquitin ligase) work in tandem to phospho-ubiquitinate damaged mitochondria, which drives the formation of autophagosomes that engulf the damaged organelle and fuse with lysosomes to initiate degradation12,13,14,15,16. Mutations in Parkin have been associated with PD-linked phenotypes such as neurodegeneration via the loss of dopaminergic neurons17,18.
Here, a protocol is described in which HeLa cells, routinely used immortalized cells derived from cervical cancer, are used to investigate the role of Parkin in maintaining mitochondrial network health. HeLa cells express negligible levels of endogenous Parkin and therefore require exogenous Parkin expression19. To study the role of Parkin in mitochondrial network health, HeLa cells are transfected with either wild-type Parkin (ParkinWT), a Parkin mutant (ParkinT240R), or an empty control vector. ParkinT240R is an autosomal recessive juvenile parkinsonism mutation that affects Parkin E3 ligase activity, significantly reducing the efficiency of the mitophagy pathway20. HeLa cells are subject to mild (5 &#181;M) or severe (20 &#181;M) concentrations of carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone (CCCP), a mitochondrial uncoupling agent. Treatment with severe concentrations of CCCP is routinely used to induce Parkin-mediated mitophagy in various cell lines, such as HeLa and COS-7 cells21,22,23.
Following treatment, the protocol employs live imaging of the mitochondrial network using two currently available mitochondrial-targeted fluorescent dyes. Tetramethylrhodamine, ethyl ester, perchlorate (TMRE) is a cationic dye that fluoresces based on mitochondrial membrane potential24, while MitoSOX is a mitochondrial superoxide indicator where the fluorescence intensity is a function of superoxide concentration25. Finally, the outlined protocol uses a fluorescence-based quantification and simple workflow to effectively quantify the mitochondrial membrane potential and superoxide levels with minimal scope for user bias. Although this protocol was designed to study mitochondrial function in HeLa cells, it can be adapted for additional cell lines and primary cell types to quantitively characterize mitochondrial network health.

Autor im Fokus: Fluoreszenzbasierte Quantifizierung des mitochondrialen Membranpotentials und der Superoxidspiegel mittels Live-Bildgebung in HeLa-Zellen  

Fluoreszenzbasierte Quantifizierung des mitochondrialen Membranpotentials und des Superoxidspiegels mittels Live-Bildgebung in HeLa-Zellen

This research focuses on mitochondria dysregulation in neurodegenerative diseases. We believe that this research can be used to understand potential causes for disease onset that could lead to therapeutics combating neurodegenerative diseases like Parkinson's disease and ALS. Techniques such as super resolution microscopy like STED and SIM or expansion microscopy have improved the ability to accurately understand protein distribution within individual organelles and mitochondria distribution throughout the cell.Results of this technique can be used as a starting point to study the effect of Parkinson's disease linked mutations on mitochondrial turnover and begin to understand the importance of regulating reactive oxygen species levels and mitochondrial membrane potential to maintain neuronal health. Our laboratory aims to mechanistically characterize individual mitochondrial quality control pathways to understand the interplay between these pathways. By having insights into pathway dynamics, one can understand how mitochondria are maintained and how mitochondrial dysregulation contributes to neurodegenerative disease onset.

In diesem Protokoll wurde die fluoreszenzbasierte Quantifizierung verwendet, um das Membranpotenzial und den Superoxidspiegel des mitochondrialen Netzwerks nach der CCCP-Behandlung zu messen (Abbildung 1). In diesem Workflow wurden HeLa-Zellen verwendet, eine immortalisierte Zelllinie, die aus Gebärmutterhalskrebs gewonnen wurde. HeLa-Zellen werden routinemäßig zur Untersuchung der mitochondrialen Biologie verwendet und sind relativ flach, was es einfach macht, das mitochondriale Netzwerk...

Watch this Scientific Journal Video about Fluorescence-Based Quantification of Mitochondrial Membrane Potential and Superoxide Levels Using Live Imaging in HeLa Cells at JoVE.com

Diese Technik beschreibt einen effektiven Arbeitsablauf zur Visualisierung und quantitativen Messung des mitochondrialen Membranpotentials und des Superoxidspiegels in HeLa-Zellen mittels fluoreszenzbasierter Live-Bildgebung.

Mitochondria are dynamic organelles critical for metabolic homeostasis by controlling energy production via ATP synthesis. To support cellular metabolism, ...

Diese Forschung konzentriert sich auf die Dysregulation von Mitochondrien bei neurodegenerativen Erkrankungen. Wir glauben, dass diese Forschung genutzt werden kann, um mögliche Ursachen für den Ausbruch von Krankheiten zu verstehen, die zu Therapeutika zur Bekämpfung neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson und ALS führen könnten. Techniken wie die hochauflösende Mikroskopie wie STED und SIM oder die Expansionsmikroskopie haben die Fähigkeit verbessert, die Proteinverteilung innerhalb einzelner Organellen und die Verteilung der Mitochondrien in der gesamten Zelle genau zu verstehen.Die Ergebnisse dieser Technik können als Ausgangspunkt verwendet werden, um die Auswirkungen von Mutationen im Zusammenhang mit der Parkinson-Krankheit auf den mitochondrialen Umsatz zu untersuchen und zu verstehen, wie wichtig es ist, den Gehalt an reaktiven Sauerstoffspezies und das Potenzial der mitochondrialen Membran für die Aufrechterhaltung der neuronalen Gesundheit zu regulieren. Unser Labor zielt darauf ab, einzelne mitochondriale Qualitätskontrollwege mechanistisch zu charakterisieren, um das Zusammenspiel dieser Signalwege zu verstehen. Durch Einblicke in die Dynamik der Signalwege kann man verstehen, wie Mitochondrien erhalten werden und wie die mitochondriale Dysregulation zum Ausbruch neurodegenerativer Erkrankungen beiträgt.

Fluoreszenzbasierte Quantifizierung des mitochondrialen Membranpotentials und des Superoxidspiegels mittels Live-Bildgebung in HeLa-Zellen

Abstract