Aqui, apresentamos uma compilação de ensaios para medir diretamente a função mitocondrial em células de mamíferos, independentemente de sua capacidade de consumir oxigênio molecular.
O fluxo de elétrons na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial (ETC) suporta funções biossintéticas, bioenergéticas e de sinalização multifacetadas em células de mamíferos. Como o oxigênio (O 2) é o mais onipresente aceitador de elétrons terminais para a ETC de mamíferos, a taxa de consumo de O2 é frequentemente usada como proxy da função mitocondrial. No entanto, pesquisas emergentes demonstram que esse parâmetro nem sempre é indicativo da função mitocondrial, já que o fumarato pode ser empregado como um aceitador alternativo de elétrons para sustentar funções mitocondriais na hipóxia. Este artigo compila uma série de protocolos que permitem aos pesquisadores medir a função mitocondrial independentemente da taxa de consumo de O2. Estes ensaios são particularmente úteis quando se estuda a função mitocondrial em ambientes hipóxicos. Especificamente, descrevemos métodos para medir a produção de ATP mitocondrial, biossíntese de pirimidina de novo, oxidação de NADH pelo complexo I e produção de superóxido. Em combinação com experimentos clássicos de respirometria, esses ensaios ortogonais e econômicos fornecerão aos pesquisadores uma avaliação mais abrangente da função mitocondrial em seu sistema de interesse.
A função mitocondrial é uma métrica crítica da saúde celular, pois sustenta funções-chave biossintéticas, bioenergéticas e de sinalização em células de mamíferos1. A grande maioria das funções mitocondriais requer fluxo de elétrons através da cadeia de transporte de elétrons (ETC), e interrupções no fluxo de elétrons na ETC causam doença mitocondrial grave2. O ETC é composto por uma série de reações de redução e oxidação (redox) que estão embutidas na membrana mitocondrial interna, e essas reações de transferência de elétrons liberam energia livre que pode ser aproveitada para apoiar a síntese de ATP, processos fisiológicos como a termogênese, vias biossintéticas como a biossíntese de pirimidina de novo e o equilíbrio do status redox de cofatores como NADH. Os complexos I e III da ETC produzem espécies reativas de oxigênio (ROS)3,4,5, que, por sua vez, regulam vias chave de sinalização, como HIF, PI3K, NRF2, NFκB e MAPK 6. Consequentemente, métricas de fluxo de elétrons no ETC são classicamente usadas como um proxy para a função mitocondrial em células de mamíferos.
Experimentos de respirometria são frequentemente empregados para medir a função mitocondrial em células de mamíferos. Uma vez que O2 é o mais onipresente aceitador de elétrons terminais para a ETC de mamíferos, sua redução é usada como um proxy para a função mitocondrial. No entanto, evidências emergentes demonstram que mitocôndrias de mamíferos podem empregar fumarato como um aceitador de elétrons para sustentar funções mitocondriais que dependem da ETC, incluindo a biossíntese de pirimidina de novo 7, a oxidação de NADH7 e a desintoxicação do sulfeto de hidrogênio 8. Assim, em determinados contextos, especialmente em ambientes hipóxicos, as medidas da taxa de consumo de O2 (OCR) não fornecem uma indicação precisa ou precisa da função mitocondrial.
Aqui, descrevemos uma série de ensaios que podem ser empregados para medir a função mitocondrial independentemente do OCR. Nós fornecemos ensaios para medir diretamente a oxidação de NADH mediada pelo complexo I, a biossíntese de pirimidina de novo mediada por diidrororotato desidrogenase, a síntese de ATP dependente do complexo V complexo, a direcionalidade líquida do complexo succinato desidrogenase (SDH) e as ERO derivadas da mitocôndria. Estes ensaios devem ser realizados em células de mamíferos cultivadas, embora muitos possam ser adaptados para estudar as funções mitocondriais in vivo. Notavelmente, os ensaios descritos neste protocolo são medidas mais diretas das funções mitocondriais do que o OCR. Além disso, permitem medir a função mitocondrial na hipóxia, contexto em que o OCR não é uma medida indicativa. Em conjunto, esses ensaios, em combinação com experimentos clássicos de respirometria, fornecerão aos pesquisadores uma avaliação mais abrangente da função mitocondrial em células de mamíferos.
Como pesquisas emergentes demonstram que as mitocôndrias de mamíferos podem funcionar sem consumir oxigênio molecular, é de extrema importância que os pesquisadores empreguem ensaios ortogonais, além das medições de OCR, para quantificar com precisão a função mitocondrial. Aqui, compilamos uma série de ensaios que podem ser usados para avaliar diretamente as atividades do complexo I, complexo II, complexo V e DHODH medindo o balanço NAD+/NADH mitocondrial, a utilização de aceptores de elétrons terminais adaptativos, a produção de ATP, biossíntese de pirimidina de novo e ROS derivadas de mitocôndrias. Notavelmente, esses ensaios medem mais diretamente a função mitocondrial do que as medidas de OCR. Além disso, esses ensaios fornecem aos pesquisadores maneiras tratáveis de quantificar a função mitocondrial durante a hipóxia, para a qual as medidas de OCR são em grande parte irrelevantes devido ao fumarato ser usado como o aceitador de elétrons terminal favorecido. Finalmente, os métodos baseados em proliferação descritos aqui são mais custo-efetivos do que os experimentos clássicos de respirometria, fornecendo uma maneira amplamente acessível de estudar a função mitocondrial em sistemas de mamíferos.
Existem considerações importantes ao utilizar esses ensaios para medir a função mitocondrial em células cultivadas. Em relação aos ensaios de proliferação, é importante ajustar o número de células semeadas para a taxa de duplicação de cada linhagem celular. As células devem ser semeadas com pelo menos 10% de confluência e com espaço suficiente para permitir três a quatro duplicações para que as diferenças na proliferação possam ser quantificadas. Outra consideração para cada ensaio é a concentração das pequenas moléculas usadas como controles para as atividades de cada complexo ETC. Como diferentes linhagens celulares podem apresentar diferentes sensibilidades a esses inibidores, é fundamental testar a dose dessas pequenas moléculas para identificar a concentração ideal.
Uma limitação universal dos ensaios que estudam a função mitocondrial in vitro, incluindo medidas de OCR e todos os ensaios aqui descritos, é a composição metabólica do meio de cultura. O meio de cultura celular padrão tende a enviesar os sistemas para níveis superficialmente altos de função mitocondrial. Por exemplo, níveis suprafisiológicos de glutamina aumentam sua anaplerose do ciclo do TCA25, o que alimenta a síntese mitocondrial de NADH e, consequentemente, aumenta a fosforilação oxidativa. Da mesma forma, a pressão parcial de oxigênio varia entre 3 mmHg e 100 mmHg (aproximadamente 0,1%-13%O2) em tecidos de mamíferos, mas é atmosférica (140 mmHg, aproximadamente 21%) in vitro26,27. Esse excesso de O2 maximiza a capacidade respiratória mitocondrial e a produção de superóxido28. Recentemente, esforços têm sido feitos para projetar meios de cultura mais fisiológicos29,30. Notavelmente, a cultura de células em meios semelhantes a plasma humano diminui a respiração mitocondrial em algumas linhagens de células cancerosas30, as ROS mitocondriais em células T31 e as adaptações mitocondriais à terapêutica do câncer32. Assim, é fundamental estar atento à composição dos meios de cultura que estão sendo utilizados e entender como isso pode impactar a função mitocondrial.
Outra limitação importante e universal na interpretação da função mitocondrial é o potencial para diferenças no número de mitocôndrias. É, portanto, fundamental medir o conteúdo mitocondrial através da quantificação do mtDNA33, da medida da massa mitocondrial com corantes insensíveis ao potencial de membrana34 ou do western blotting de marcadores mitocondriais. Este é um controle crítico para que uma diminuição no número de mitocôndrias não seja confundida com uma diminuição na função mitocondrial.
Há também limitações específicas e solução de problemas que se aplicam aos ensaios descritos aqui. Primeiro, dado que células diferenciadas não proliferam, os ensaios baseados em proliferação não serão úteis para avaliar a função mitocondrial neste contexto. Uma limitação fundamental do protocolo de rastreamento de 13C 4-aspartato para medir a atividade de DHODH é que a captação de aspartato nas células pode ser extremamente ineficiente35. Para superar essa limitação potencial, os pesquisadores podem superexpressar o transportador de aspartato, SLC1A3, para facilitar a captação de 13C 4-aspartato35.
Uma limitação do protocolo que utiliza o traçado 13C 5-glutamina para medir a atividade de SDH é que este ensaio requer que as células utilizem a via de carboxilação redutiva para enriquecer os isotopólogos M+3 a fim de medir a atividade reversa. Algumas linhagens celulares são incapazes de fluxo redutivo de carboxilação devido à baixa expressão de ATP citrato liase36, estabilização insuficiente de HIF37 ou uma relação α KG:citrato muito baixa38. Para superar essa limitação, pode-se utilizar o traçado 13C 4-aspartato para medir as atividades direta e reversa do SDH7. Neste ensaio, a atividade direta do SDH pode ser medida pela razão fumarato M+2:succinato M+2 e a reação reversa pelo succinato M+4:fumarato M+4. Notavelmente, este traçado contorna a maioria das enzimas na via de carboxilação redutiva.
Uma limitação do ensaio de atividade do complexo I usando redução DCPIP como leitura é que as mitocôndrias não estão estruturalmente intactas. O processo de congelamento-descongelamento das mitocôndrias para permitir sua captação de NADH para o ensaio certamente pode manchar a integridade estrutural da membrana mitocondrial39. Este ensaio deve ser realizado em paralelo com ensaios como o ensaio de proliferação do complexo I para garantir que as mudanças na atividade do complexo I observadas também sejam verdadeiras com células intactas.
Em estudos futuros, algumas dessas técnicas podem ser adaptadas para medir funções mitocondriais in vivo usando organismos modelo como camundongos e Caenorhabditis elegans. Os métodos atuais usados para medir a função mitocondrial in vivo estão centrados no OCR em nível de organismo, especificamente na taxa de troca respiratória quando se usa modelos de camundongos. Uma limitação clara deste método é que o oxigênio serve muitas funções bioquímicas e de sinalização além de seu papel como um aceptor de elétrons terminais ubíquo na ETC mitocondrial. Por exemplo, o oxigênio é “consumido” pela atividade catalítica de enzimas da família das dioxigenases. Embora essas enzimas contribuam para a taxa de consumo celular de oxigênio, elas não participam, regulam ou refletem a função mitocondrial. Experimentos clássicos de respirometria in vitro tipicamente controlam o “OCR não mitocondrial”, enquanto os experimentos de razão de troca respiratória do organismo (RER) não podem controlar isso, limitando a interpretação do RER como uma métrica para a função mitocondrial in vivo. No entanto, é viável adaptar os protocolos para medir a atividade de DHODH via traçado de 4-aspartato de 13 C, atividade do complexo II via traçado de5-glutamina de 13C, atividade do complexo I em mitocôndrias purificadas detecidos e ROS mitocondrial usando compostos amigáveis ao LC-MS como MitoB para medir a função mitocondrial in vivo. Esses ensaios diretos para interrogar funções mitocondriais, em combinação com experimentos clássicos de respirometria, fornecem aos pesquisadores uma avaliação mais abrangente e precisa da função mitocondrial em células e tecidos de mamíferos.
The authors have nothing to disclose.
As figuras produzidas neste manuscrito foram criadas com BioRender.com. Somos gratos a Amy Walker por fornecer feedback sobre este artigo. J.B.S. foi apoiado pela Worcester Foundation for Biomedical Research Grant.
1.5 mL tube | Cell Treat | 667443 | |
2.0 mL tube | Cell Treat | 229446 | |
6-well plate | Cell Treat | 229106 | |
12-well plate | Cell Treat | 229112 | |
13C4-aspartate | Sigma-Aldrich | 604852 | |
13C5-Glutamine | Cambridge Isotope Laboratories | 285978-14-5 | |
15 mL centrifuge tube | Cell Treat | 667411 | |
50 mL centrifuge tube | Cell Treat | 667421 | |
150 mm tissue culture dish | Cell Treat | 229651 | |
1x Phosphate-buffered saline | Gibco | 10010049 | |
2,6-dichlorophenolindophenol | Honeywell | 33125 | |
Ammonium Carbonate | Sigma-Aldrich | 37999 | |
Antimycin | Sigma-Aldrich | A8674 | |
Ascentis Express C18 | Sigma-Aldrich | 53825-U | |
Bottle top filter 500 mL, 0.22 µm, PES 9 9 mm membrane diameter | Cell Treat | 229717 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A3294 | |
Brequinar | Sigma-Aldrich | SML0113 | |
Cell Lifter, Double End Flat and Narrow Blade | Cell Treat | 229305 | |
CentriVap -105 Cold Trap | Labconco | 7385020 | |
Complete Protease Inhibitor Tablets | Sigma-Aldrich | 4693116001 | |
Coulter Counter Cups | Fisher Scientific | 07-000-694 | |
Decylubiquinone | Sigma-Aldrich | D7911 | |
DMSO | Invitrogen | D12345 | |
Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Gibco | 11995-065 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E6758 | |
EGTA | Sigma-Aldrich | E3889 | |
Eppendorf Centrifuge 5425R | Eppendorf | 2231000908 | |
Eppendorf Centrifuge 5910 Ri | Eppendorf | 5943000343 | |
Galactose | Sigma-Aldrich | G5388 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G7021 | |
Glucose-free DMEM | Gibco | 11966025 | |
Glutamine-free DMEM | Thermo Fisher | 11960044 | |
Heat-Inactivated Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | F4135 | |
Hepes | Sigma-Aldrich | H3375 | |
HPLC-grade 35% Ammonium hydroxide | Thermo Scientific | 460801000 | |
HPLC-grade Acetonitrile | Sigma-Aldrich | 900667 | |
HPLC-grade Chloroform | Sigma-Aldrich | 366927 | |
HPLC-grade formic acid | Thermo Scientific | 28905 | |
HPLC-grade Isopropanol | Sigma-Aldrich | 563935 | |
HPLC-grade MeOH | Sigma-Aldrich | 900688 | |
HPLC-grade Water | Sigma-Aldrich | 270733 | |
Human Osteosarcome Cell Line 143B | ATCC | CRL-8303 | |
Hydrochloric Acid | Sigma-Aldrich | 320331-500ML | |
Isotone buffer | Beckman Coulter | 8546719 | |
K2HPO4 | Sigma-Aldrich | P2222 | |
Mannitol | Sigma-Aldrich | M4125 | |
MitoSox Red | Invitrogen | M36008 | |
N-acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A9165 | |
Oligomycin | Sigma-Aldrich | 75351-5MG | |
Pencillin Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
Potter-Elvehjem Tissue Grinder, Size 21 | Kimble | 885502-0021 | |
Pyruvate | Sigma-Aldrich | P5280 | |
Pyruvate-free DMEM media | Gibco | 11965175 | |
Q Exactive Plus Mass Spectrometer | Thermo Scientific | 726030 | |
ReCO2ver Incubator | Baker | ||
Refrigerated Centrivap Benchtop Vacuum Concentrator | Labconco | 7310020 | |
RIPA Buffer | Millipore Sigma | 20188 | |
Rotenone | Sigma-Aldrich | R8875 | |
SeQuant ZIC-pHILIC 5μm 150 x 2.1 mm analytical column | Sigma-Aldrich | 1.50460.0001 | |
SeQuant ZIC-pHILIC guard kit | Millipore Sigma | 1.50438.0001 | |
Sodium Hydroxide, Pellets | Millipore Sigma | 567530-250GM | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
SW, TRACEFINDER 5.1 SP3 | Thermo Scientific | OPTON-31001 | |
Tert-butyl hydroperoxide solution | Sigma-Aldrich | 458139 | |
Tris | Sigma-Aldrich | 93352 | |
Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red | Gibco | 25-200-114 | |
Uridine | Sigma-Aldrich | U3003 | |
VANQUISH HORIZON / FLEX HPLC | Thermo Scientific | VF-S01-A-02 | |
Z2 Coulter Particle count and size analyzer | Beckman Coulter | BZ10131270 |