Bildbasierte Hochdurchsatz-Quantifizierung der mitochondrialen DNA-Synthese und -Verteilung

Für die meisten eukaryotischen Zellen sind Mitochondrien essentielle Organellen, da sie eine entscheidende Rolle in zahlreichen zellulären Prozessen spielen. Mitochondrien sind in erster Linie die wichtigsten Energielieferanten der Zellen¹. Mitochondrien sind auch an der Regulierung der zellulären Homöostase (z. B. intrazelluläres Redox² und des Kalziumhaushalts³), der Zellsignalübertragung ^4,5, der Apoptose⁶, der Synthese verschiedener biochemischer Verbindungen ^7,8 und der angeborenen Immunantwort^{beteiligt 9}. Mitochondriale Dysfunktion wird mit verschiedenen pathologischen Zuständen und menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht¹⁰.

Die Funktion der Mitochondrien hängt von der genetischen Information ab, die sich in zwei getrennten Genomen befindet: dem Kern- und dem mitochondrialen Genom. Das mitochondriale Genom kodiert im Vergleich zum Kerngenom nur eine kleine Anzahl von Genen, aber alle mtDNA-kodierten Gene sind für das menschliche Leben unerlässlich. Die mitochondriale Proteinmaschinerie, die für die Aufrechterhaltung der mtDNA notwendig ist, wird von nDNA kodiert. Die grundlegenden Komponenten des mitochondrialen Replisoms sowie einige mitochondriale Biogenesefaktoren wurden bereits identifiziert (in früheren Forschungsarbeiten überprüft^11,12). Die mitochondrialen DNA-Replikations- und Erhaltungsmechanismen sind jedoch noch weit davon entfernt, verstanden zu werden. Im Gegensatz zur nDNA liegt das mitochondriale Genom in mehreren Kopien vor, was eine zusätzliche Schicht zur Regulierung der mitochondrialen Genexpression darstellt. Viel weniger ist derzeit über die Verteilung und Segregation von mtDNA innerhalb von Organellen bekannt, inwieweit diese Prozesse reguliert sind und wenn ja, welche Proteine beteiligt sind¹³. Das Segregationsmuster ist entscheidend, wenn Zellen eine gemischte Population aus Wildtyp- und mutierter mtDNA enthalten. Ihre ungleiche Verteilung kann zur Bildung von Zellen mit einer schädlichen Menge an mutierter mtDNA führen.

Bisher wurden die Proteinfaktoren, die für den Erhalt der mtDNA notwendig sind, vor allem durch biochemische Methoden, bioinformatische Analysen oder durch krankheitsassoziierte Studien identifiziert. Um eine hohe Wahrscheinlichkeit zu gewährleisten, Faktoren zu identifizieren, die sich bisher der Identifizierung entzogen haben, wird in dieser Arbeit eine andere Strategie beschrieben. Die Methode basiert auf der Markierung von mtDNA während der Replikation oder Reparatur mit 5-Brom-2′-desoxyuridin (BrdU), einem Nukleosid-Analogon von Thymidin. BrdU wird während der DNA-Synthese leicht in entstehende DNA-Stränge eingebaut und im Allgemeinen zur Überwachung der Replikation von Kern-DNA^{verwendet 14}. Das hier entwickelte Verfahren wurde jedoch für den Nachweis von in mtDNA eingebautem BrdU unter Verwendung der Immunfluoreszenz von Anti-BrdU-Antikörpern optimiert.

Der Ansatz ermöglicht die Hochdurchsatzquantifizierung der mtDNA-Synthese und -Verteilung in humanen Zellen, die in vitro kultiviert wurden. Eine Hochdurchsatzstrategie ist notwendig, um Tests unter verschiedenen Versuchsbedingungen in relativ kurzer Zeit durchzuführen; Daher wird im Protokoll vorgeschlagen, ein Multi-Well-Format für die Zellkultivierung und automatisierte Fluoreszenzmikroskopie für die Bildgebung zu verwenden. Das Protokoll umfasst die Transfektion von humanen HeLa-Zellen mit einer siRNA-Bibliothek und die anschließende Überwachung der mtDNA-Replikation oder -Reparatur durch die metabolische Markierung neu synthetisierter DNA mit BrdU. Dieser Ansatz wird mit einer Immunfärbung der DNA mit Hilfe von Anti-DNA-Antikörpern kombiniert. Beide Parameter werden mittels quantitativer Fluoreszenzmikroskopie analysiert. Zusätzlich werden Mitochondrien mit einem bestimmten Farbstoff sichtbar gemacht. Um die Spezifität des Protokolls zu demonstrieren, wurde die BrdU-Färbung an Zellen ohne mtDNA (rho0-Zellen), an HeLa-Zellen nach dem Silencing bekannter mtDNA-Erhaltungsfaktoren und an HeLa-Zellen nach Behandlung mit einem mtDNA-Replikationsinhibitor getestet. Die mtDNA-Konzentrationen wurden auch mit einer unabhängigen Methode, nämlich der qPCR, gemessen.