Ici, nous présentons une compilation de tests pour mesurer directement la fonction mitochondriale dans les cellules de mammifères indépendamment de leur capacité à consommer de l’oxygène moléculaire.
Le flux d’électrons dans la chaîne de transport d’électrons mitochondriales (ETC) soutient des fonctions biosynthétiques, bioénergétiques et de signalisation à multiples facettes dans les cellules de mammifères. Comme l’oxygène (O2) est l’accepteur terminal d’électrons le plus omniprésent pour l’ETC chez les mammifères, le taux de consommation d’O2 est fréquemment utilisé comme indicateur de la fonction mitochondriale. Cependant, des recherches émergentes démontrent que ce paramètre n’est pas toujours indicatif de la fonction mitochondriale, car le fumarate peut être utilisé comme accepteur d’électrons alternatif pour maintenir les fonctions mitochondriales dans l’hypoxie. Cet article compile une série de protocoles qui permettent aux chercheurs de mesurer la fonction mitochondriale indépendamment du taux de consommation d’O2. Ces tests sont particulièrement utiles lors de l’étude de la fonction mitochondriale dans des environnements hypoxiques. Plus précisément, nous décrivons des méthodes pour mesurer la production d’ATP mitochondriale, la biosynthèse de novo de la pyrimidine, l’oxydation du NADH par le complexe I et la production de superoxyde. En combinaison avec les expériences classiques de respirométrie, ces tests orthogonaux et économiques fourniront aux chercheurs une évaluation plus complète de la fonction mitochondriale dans leur système d’intérêt.
La fonction mitochondriale est une mesure essentielle de la santé cellulaire, car elle soutient les fonctions biosynthétiques, bioénergétiques et de signalisation clés dans les cellules de mammifères1. La grande majorité des fonctions mitochondriales nécessitent un flux d’électrons à travers la chaîne de transport d’électrons (ETC), et les perturbations du flux d’électrons dans l’ETC provoquent une maladie mitochondriale grave2. L’ETC est composé d’une série de réactions de réduction et d’oxydation (redox) qui sont intégrées dans la membrane mitochondriale interne, et ces réactions de transfert d’électrons libèrent de l’énergie libre qui peut être exploitée pour soutenir la synthèse de l’ATP, les processus physiologiques tels que la thermogenèse, les voies de biosynthèse telles que la biosynthèse de novo de la pyrimidine et l’équilibre du statut redox des cofacteurs tels que le NADH. Les complexes ETC I et III produisent des espèces réactives de l’oxygène (ROS)3,4,5, qui, à leur tour, régulent les voies clés de signalisation telles que HIF, PI3K, NRF2, NFκB et MAPK 6. Par conséquent, les métriques du flux d’électrons dans l’ETC sont classiquement utilisées comme proxy de la fonction mitochondriale dans les cellules de mammifères.
Les expériences de respirométrie sont fréquemment utilisées pour mesurer la fonction mitochondriale dans les cellules de mammifères. Puisque O2 est l’accepteur terminal d’électrons le plus omniprésent pour l’ETC chez les mammifères, sa réduction est utilisée comme proxy pour la fonction mitochondriale. Cependant, de nouvelles preuves démontrent que les mitochondries de mammifères peuvent utiliser le fumarate comme accepteur d’électrons pour maintenir les fonctions mitochondriales qui dépendent de l’ETC, y compris la biosynthèse de novo de la pyrimidine 7, l’oxydation du NADH7 et la désintoxication du sulfure d’hydrogène8. Ainsi, dans certains contextes, notamment en milieu hypoxique, les mesures du taux de consommation d’O2 (OCR) ne fournissent pas une indication précise ou précise de la fonction mitochondriale.
Ici, nous décrivons une série de tests qui peuvent être utilisés pour mesurer la fonction mitochondriale indépendamment de l’OCR. Nous fournissons des tests pour mesurer directement l’oxydation NADH médiée par le complexe I, la biosynthèse de novo pyrimidine médiée par la dihydroorotate déshydrogénase, la synthèse complexe V-dépendante de l’ATP, la directionnalité nette du complexe succinate déshydrogénase (SDH) et les ROS dérivés des mitochondries. Ces tests sont destinés à être effectués sur des cellules de mammifères en culture, bien que beaucoup puissent être adaptés pour étudier les fonctions mitochondriales in vivo. Notamment, les tests décrits dans ce protocole sont des mesures plus directes des fonctions mitochondriales que l’OCR. De plus, ils permettent de mesurer la fonction mitochondriale en hypoxie, un contexte dans lequel l’OCR n’est pas une mesure indicative. Pris ensemble, ces essais, combinés à des expériences classiques de respirométrie, fourniront aux chercheurs une évaluation plus complète de la fonction mitochondriale dans les cellules de mammifères.
Comme les recherches émergentes démontrent que les mitochondries des mammifères peuvent fonctionner sans consommer d’oxygène moléculaire, il est de la plus haute importance pour les chercheurs d’utiliser des tests orthogonaux, au-delà des mesures OCR, pour quantifier avec précision la fonction mitochondriale. Ici, nous avons compilé une série de tests qui peuvent être utilisés pour évaluer directement les activités des complexes I, II, V et DHODH en mesurant l’équilibre mitochondrial NAD + / NADH, l’utilisation d’accepteurs d’électrons terminaux adaptatifs, la production d’ATP, la biosynthèse de novo de la pyrimidine et les ROS dérivés des mitochondries. Notamment, ces tests mesurent plus directement la fonction mitochondriale que les mesures OCR. En outre, ces tests fournissent aux chercheurs des moyens traitables de quantifier la fonction mitochondriale pendant l’hypoxie, pour laquelle les mesures OCR sont en grande partie hors de propos en raison de l’utilisation du fumarate comme accepteur d’électrons terminal privilégié. Enfin, les méthodes basées sur la prolifération décrites ici sont plus rentables que les expériences classiques de respirométrie, fournissant ainsi un moyen largement accessible d’étudier la fonction mitochondriale dans les systèmes mammifères.
Il y a des considérations clés lors de l’utilisation de ces tests pour mesurer la fonction mitochondriale dans les cellules en culture. En ce qui concerne les essais de prolifération, il est important d’ajuster le nombre de cellules ensemencées pour le taux de doublement de chaque lignée cellulaire. Les cellules doivent être ensemencées à au moins 10% de confluence et avec suffisamment d’espace pour permettre trois à quatre doublages afin que les différences de prolifération puissent être quantifiées. Une autre considération pour chaque essai est la concentration des petites molécules utilisées comme témoins pour les activités de chaque complexe ETC. Comme différentes lignées cellulaires peuvent présenter des sensibilités différentes à ces inhibiteurs, il est essentiel de tester la dose de ces petites molécules pour identifier la concentration optimale.
Une limitation universelle des essais étudiant la fonction mitochondriale in vitro, y compris les mesures OCR et tous les tests décrits ici, est la composition métabolique du milieu de culture. Le milieu de culture cellulaire standard tend à biaiser les systèmes en niveaux superficiellement élevés de fonction mitochondriale. Par exemple, les niveaux supraphysiologiques de glutamine augmentent son anaplérose du cycle25 du TCA, ce qui alimente la synthèse mitochondriale du NADH et, par conséquent, augmente la phosphorylation oxydative. De même, la pression partielle de l’oxygène varie entre 3 mmHg et 100 mmHg (environ 0,1%-13%O2) dans les tissus de mammifères mais est atmosphérique (140 mmHg, environ 21%) in vitro26,27. Cet excèsO2 maximise la capacité respiratoire mitochondriale et la production de superoxyde28. Récemment, des efforts ont été déployés pour concevoir des milieux de culture plus physiologiques29,30. Notamment, la culture de cellules dans des milieux semblables au plasma humain diminue la respiration mitochondriale dans certaines lignées cellulaires cancéreuses30, les ROS mitochondriaux dans les cellules T 31 et les adaptations mitochondriales aux thérapies anticancéreuses32. Ainsi, il est essentiel d’être conscient de la composition des milieux de culture utilisés et de comprendre comment elle peut avoir un impact sur la fonction mitochondriale.
Une autre limitation importante et universelle dans l’interprétation de la fonction mitochondriale est le potentiel de différences dans le nombre de mitochondries. Il est donc essentiel de mesurer le contenu mitochondrial soit par la quantification de l’ADNmt33, soit par la mesure de la masse mitochondriale avec des colorants insensibles au potentiel membranaire34, soit par transfert Western des marqueurs mitochondriaux. Il s’agit d’un contrôle critique afin qu’une diminution du nombre de mitochondries ne soit pas confondue avec une diminution de la fonction mitochondriale.
Il existe également des limitations et des dépannages spécifiques qui s’appliquent aux tests décrits ici. Premièrement, étant donné que les cellules différenciées ne prolifèrent pas, les tests basés sur la prolifération ne seront pas utiles pour évaluer la fonction mitochondriale dans ce contexte. L’une des principales limites du protocole de traçage 13C 4-aspartate pour mesurer l’activité DHODH est que l’absorption d’aspartate dans les cellules peut être extrêmement inefficace35. Pour surmonter cette limitation potentielle, les chercheurs peuvent surexprimer le transporteur d’aspartate, SLC1A3, pour faciliter l’absorption du 13C 4-aspartate35.
Une limitation du protocole utilisant le traçage de la 5-glutamine 13C pour mesurer l’activité SDH est que ce test nécessite que les cellules utilisent la voie de carboxylation réductrice pour enrichir les isotopologues M + 3 afin de mesurer l’activité inverse. Certaines lignées cellulaires sont incapables de flux de carboxylation réductrice en raison d’une faible expression de la citrate lyaseATP 36, d’une stabilisation insuffisante de l’HIF37 ou d’un rapport α-KG:citrate trop faible38. Pour surmonter cette limitation, on pourrait utiliser le traçage 13C 4-aspartate pour mesurer les activités SDH en avant et en arrière7. Dans ce test, l’activité directe de la SDH peut être mesurée par le rapport du fumarate M+2:succinate M+2 et de la réaction inverse par le succinate M+4:fumarate M+4. Notamment, ce traçage contourne la plupart des enzymes dans la voie de carboxylation réductrice.
Une limitation de l’essai d’activité complexe I utilisant la réduction DCPIP comme lecture est que les mitochondries ne sont pas structurellement intactes. Le processus de congélation-décongélation des mitochondries pour permettre leur absorption de NADH pour le test peut certainement ternir l’intégrité structurelle de la membrane mitochondriale39. Ce test doit être effectué parallèlement à des tests tels que le test de prolifération complexe I pour s’assurer que les changements observés dans l’activité du complexe I sont également vrais avec des cellules intactes.
Dans des études futures, certaines de ces techniques pourront être adaptées pour mesurer les fonctions mitochondriales in vivo en utilisant des organismes modèles tels que des souris et Caenorhabditis elegans. Les méthodes actuelles utilisées pour mesurer la fonction mitochondriale in vivo sont centrées sur l’OCR au niveau de l’organisme, en particulier le taux d’échange respiratoire lors de l’utilisation de modèles murins. Une limitation claire de cette méthode est que l’oxygène remplit de nombreuses fonctions biochimiques et de signalisation au-delà de son rôle d’accepteur terminal d’électrons omniprésent dans l’ETC mitochondrial. Par exemple, l’oxygène est « consommé » par l’activité catalytique des enzymes de la famille des dioxygénases. Bien que ces enzymes contribuent au taux de consommation d’oxygène cellulaire, elles ne participent pas, ne régulent pas ou ne reflètent pas la fonction mitochondriale. Les expériences classiques de pneumométrie in vitro contrôlent généralement la « ROC non mitochondriale », tandis que les expériences sur le rapport d’échange respiratoire (RER) de l’organisme ne peuvent pas contrôler cela, ce qui limite l’interprétation du RER en tant que métrique de la fonction mitochondriale in vivo. Cependant, il est possible d’adapter les protocoles pour mesurer l’activité DHODH via le traçage 4-aspartate 13C, l’activité du complexe II via le traçage 13C5-glutamine, l’activité du complexe I sur les mitochondries purifiées à partir de tissus et les ROS mitochondriaux en utilisant des composés favorables à laLC-MS tels que MitoB afin de mesurer la fonction mitochondriale in vivo.. Ces tests directs pour interroger les fonctions mitochondriales, en combinaison avec les expériences classiques de respirométrie, fournissent aux chercheurs une évaluation plus complète et plus précise de la fonction mitochondriale dans les cellules et les tissus de mammifères.
The authors have nothing to disclose.
Les figures produites dans ce manuscrit ont été créées avec BioRender.com. Nous sommes reconnaissants à Amy Walker de nous avoir fait part de ses commentaires sur cet article. J.B.S. a été soutenu par la 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 |