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生物化学

미토콘드리아 접촉 부위를 분리하는 개선된 방법

Published: June 16, 2023
doi:
10.3791/65444
, ,
1Department of Cell Biology, Biomedical Center, Medical Faculty,Ludwig-Maximilians University Munich, 2Cardio-Metabolic Diseases,Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG

Summary

미토콘드리아 접촉 부위는 미토콘드리아 내막 및 외막 단백질과 상호 작용하는 단백질 복합체입니다. 이 부위는 미토콘드리아 막과 세포질과 미토콘드리아 기질 사이의 통신에 필수적입니다. 여기에서는 이 특정 종류의 단백질에 적합한 후보를 식별하는 방법을 설명합니다.

Abstract

미토콘드리아는 거의 모든 진핵 세포에 존재하며 철-황 클러스터, 지질 또는 단백질의 합성, Ca2+ 완충 및 세포 사멸 유도와 같은 에너지 생산을 훨씬 능가하는 필수 기능을 수행합니다. 마찬가지로 미토콘드리아 기능 장애는 암, 당뇨병 및 신경 퇴행과 같은 심각한 인간 질병을 초래합니다. 이러한 기능을 수행하기 위해 미토콘드리아는 두 개의 막으로 구성된 외피를 통해 세포의 나머지 부분과 통신해야 합니다. 따라서 이 두 멤브레인은 지속적으로 상호 작용해야 합니다. 미토콘드리아 내막과 외막 사이의 단백질 접촉 부위는 이 점에서 필수적입니다. 지금까지 여러 접촉 사이트가 확인되었습니다. 여기에 설명된 방법에서, 맥주효모균 미 토콘드리아는 접촉 부위를 분리하고, 따라서 접촉 부위 단백질에 적합한 후보를 식별하는 데 사용됩니다. 우리는 이 방법을 사용하여 미토콘드리아 내막의 주요 접촉 부위 형성 복합체 중 하나인 미토콘드리아 접촉 부위 및 크리스타 조직 시스템(MICOS) 복합체를 식별했으며, 이는 효모에서 인간으로 보존됩니다. 최근에는 이 방법을 더욱 개선하여 Cqd1 및 Por1-Om14 복합체로 구성된 새로운 접촉 부위를 식별했습니다.

Introduction

미토콘드리아는 진핵생물에서 다양한 기능을 수행하며, 가장 잘 알려진 것은 산화적 인산화를 통한 ATP 생성입니다. 다른 기능으로는 철-황 클러스터의 생성, 지질 합성 및 고등 진핵 생물에서 Ca 2 + 신호 전달 및 세포 사멸유도 1,2,3,4가 있습니다. 이러한 기능은 복잡한 초미세 구조와 불가분의 관계에 있습니다.

미토콘드리아 초미세구조는 전자현미경5에 의해 처음 기술되었다. 미토콘드리아는 미토콘드리아 외막과 미토콘드리아 내막이라는 두 개의 막으로 구성된 다소 복잡한 세포 기관인 것으로 나타났습니다. 따라서 두 개의 수성 구획이 이러한 막에 의해 형성됩니다 : 막간 공간과 매트릭스. 미토콘드리아 내막은 더 많은 부분으로 나눌 수 있습니다. 내경막은 외막에 근접하여 유지되며 크리스타는 침범을 형성합니다. 소위 크리스타 접합부(crista junctions)는 내경막(inner boundary membrane)과 크리스타(cristae)를 연결합니다(그림 1). 또한, 삼투압으로 축소된 미토콘드리아의 전자 현미경 사진은 미토콘드리아 막이 단단히 연결된 부위가 존재한다는 것을 보여줍니다 6,7. 이러한 소위 접촉 부위는 두 막에 걸쳐 있는 단백질 복합체에 의해 형성됩니다(그림 1). 이러한 상호작용 부위는 미토콘드리아 역학 및 유전의 조절뿐만 아니라 세포질과 매트릭스8 사이의 대사 산물 및 신호 전달에 중요하기 때문에 세포 생존력에 필수적인 것으로 생각된다.

미토콘드리아 내막의 MICOS 복합체는 아마도 가장 특징적이고 가장 다재다능한 접촉 부위 형성 복합체일 것입니다. MICOS는 2011년 효모에 기술되어 있으며, Mic60, Mic27, Mic26, Mic19, Mic12 및 Mic10의 6개 소단위 9,10,1 1로 구성됩니다. 이들은 크리스타 접합부 9,10,11에 국한되는 약 1.5 MDa의 복합체를 형성합니다. 핵심 서브유닛인 Mic10 또는 Mic60을 삭제하면 이 복잡한 9,11이 없어지는데, 이는 이 두 서브유닛이 MICOS의 안정성에 필수적이라는 것을 의미합니다. 흥미롭게도, MICOS는 다양한 미토콘드리아 외막 단백질 및 복합체와 하나의 접촉 부위를 형성할 뿐만 아니라 여러 개의 접촉 부위를 형성합니다: TOM 복합체 11,12, TOB/SAM 복합체 9,12,13,14,15,16, Fzo1-Ugo1 복합체 9, Por1 10, OM4510 및 Miro 17. 이는 MICOS 복합체가 단백질 가져오기, 인지질 대사 및 미토콘드리아 초세구조18의 생성과 같은 다양한 미토콘드리아 과정에 관여한다는 것을 강력하게 시사한다. MIC10 또는 MIC60의 결실을 통해 유도된 MICOS 복합체의 부재는 일반 크리스타가 거의 완전히 결여된 비정상적인 미토콘드리아 초세구조로 이어지기 때문에 후자의 기능은 아마도 MICOS의 주요 기능일 것입니다. 대신, 내부 경계막에 연결되지 않은 내부 막 소포는19, 20을 축적합니다. 중요한 것은 MICOS가 효모에서 인간에 이르기까지 형태와 기능이 보존된다는 것입니다21. MICOS 소단위체의 돌연변이와 심각한 인간 질병의 연관성은 또한 더 높은 진핵생물에 대한 중요성을 강조합니다22,23. MICOS는 매우 다재다능하지만 추가 접촉 사이트가 존재해야 합니다(미공개 관찰 결과). 실제로, 미토콘드리아 특이적 인지질 카디올리핀(27)의 생합성에 관여하는 미토콘드리아 융합 기계 Mgm1-Ugo1/Fzo124,25,26 또는 Mdm31-Por1과 같은 몇 가지 다른 접촉 부위가 확인되었습니다. 최근에, 우리는 외막 복합체 Por1-Om1428로 형성된 새로운 접촉 부위의 일부로서 Cqd1을 식별하기 위해 MICOS의 식별로 이어진 방법을 개선했습니다. 흥미롭게도, 이 접촉 부위는 미토콘드리아 막 항상성, 인지질 대사 및 코엔자임 Q28,29의 분포와 같은 여러 과정에도 관여하는 것으로 보입니다.

여기서는 앞서 설명한 미토콘드리아 9,30,31,32,33의 분획의 변형을 사용했습니다. 미토콘드리아의 삼투압 처리는 미토콘드리아 외막의 파괴와 매트릭스 공간의 수축으로 이어져 두 막이 접촉 부위에서만 근접하게 됩니다. 이를 통해 미토콘드리아 외막 또는 미토콘드리아 내막으로만 구성되거나 온화한 초음파 처리를 통해 두 막의 접촉 부위를 포함하는 소포를 생성 할 수 있습니다. 미토콘드리아 내막은 단백질 대 지질 비율이 훨씬 높기 때문에 미토콘드리아 내막 소포는 미토콘드리아 외막 소포에 비해 더 높은 밀도를 나타냅니다. 밀도의 차이는 자당 부력 밀도 구배 원심 분리를 통해 막 소포를 분리하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서, 미토콘드리아 외막 소포는 낮은 슈크로스 농도에서 축적되는 반면, 미토콘드리아 내막 소포는 높은 슈크로스 농도에서 농축된다. 접촉 부위를 포함하는 소포는 중간 자당 농도로 농축됩니다(그림 2). 다음의 프로토콜은 이전에 확립된 것에 비해 덜 전문화된 장비, 시간 및 에너지를 필요로 하는 이 개선된 방법을 상세히 설명하고, 가능한 접촉 부위 단백질의 식별을 위한 유용한 도구를 제공한다.

Protocol

1. 완충액과 원액 탈이온수, pH 7.4에서 1M 3-모르폴리노프로판-1-술폰산(MOPS) 용액을 만듭니다. 4 °C에서 보관하십시오. 탈이온수(pH 8.0)에서 500mM 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 준비합니다. 실온에서 보관하십시오. 탈이온수에 2.4M 소르비톨을 준비합니다. 오토클레이브 후 실온에서 보관하십시오. 탈이온수에 2.5M 자당을 준비합니다. 오토클레이브 후 ?…

Representative Results

미토콘드리아 내막과 외막을 분리하는 것은 비교적 쉽습니다. 그러나 접촉 부위 함유 소포의 생성 및 분리는 훨씬 더 어렵습니다. 우리의 의견으로는, 두 단계가 중요하고 필수적입니다 : 초음파 처리 조건과 사용 된 기울기. 일반적으로 선형 그래디언트는 스텝 그래디언트에 비해 해상도가 더 좋은 것으로 생각됩니다. 그러나 재현 가능한 생산은 지루하고 특수 장비가 필요?…

Discussion

미토콘드리아 분획은 여러 매우 복잡한 단계를 거쳐야 하는 복잡한 실험입니다. 따라서 우리는 확립된 방법32를 더욱 개선하고 어느 정도 단순화하는 것을 목표로 했습니다. 여기서 문제는 종종 개별 구조인 복잡하고 고도로 전문화된 장비에 대한 요구 사항과 막대한 시간과 에너지 소비였습니다. 이를 위해 선형 그래디언트를 주조 및 수확하는 데 사용되는 펌프와 개별 구조를 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

M.E.H.는 재정 지원을 위해 프로젝트 번호 413985647인 DFG(Deutsche Forschungsgemeinschaft)를 인정합니다. 저자들은 뮌헨 루트비히-막시밀리안 대학교의 미하엘 키블러 박사의 관대하고 광범위한 지원에 감사를 표한다. Walter Neupert의 과학적 의견, 유용한 토론 및 지속적인 영감에 감사드립니다. JF는 뮌헨 생명 과학 대학원(LSM)의 지원에 감사드립니다.

Materials

13.2 mL, Open-Top Thinwall Ultra-Clear Tube, 14 x 89mm Beckman Instruments, Germany 344059
50 mL, Open-Top Thickwall Polycarbonate Open-Top Tube, 29 x 104mm Beckman Instruments, Germany 363647
A-25.50 Fixed-Angle Rotor- Aluminum, 8 x 50 mL, 25,000 rpm, 75,600 x g Beckman Instruments, Germany 363055
Abbe refractometer Zeiss, Germany discontinued,
any pipet controller will suffice
accu-jet pro Pipet Controller Brandtech, USA BR26320 discontinued,
any pipet controller will suffice
Beaker 1000 mL DWK Life Science, Germany C118.1
Branson  Digital Sonifier W-250 D Branson Ultrasonics, USA FIS15-338-125
Branson Ultrasonic 3mm TAPERED MICROTIP Branson Ultrasonics, USA 101-148-062
Branson Ultrasonics 200- and 400-Watt Sonifiers: Rosette Cooling Cell Branson Ultrasonics, USA 15-338-70
Centrifuge Avanti JXN-26 Beckman Instruments, Germany B37912
Centrifuge Optima XPN-100 ultra Beckman Instruments, Germany 8043-30-0031
cOmplete Proteaseinhibtor-Cocktail Roche, Switzerland 11697498001
D-Sorbit Roth, Germany 6213
EDTA (Ethylendiamin-tetraacetic acid disodium salt dihydrate) Roth, Germany 8043
Erlenmeyer flask, 100 mL Roth, Germany X747.1
graduated pipette, Kl. B, 25:0, 0.1 Hirschmann, Germany 1180170
graduated pipette, Kl. B, 5:0, 0.05 Hirschmann, Germany 1180153
ice bath neoLab, Germany  S12651
Magnetic stirrer RCT basic IKA-Werke GmbH, Germany Z645060GB-1EA
MOPS (3-(N-Morpholino)propanesulphonic acid) Gerbu, Germany 1081
MyPipetman Select P1000 Gilson, USA FP10006S
MyPipetman Select P20 Gilson, USA FP10003S
MyPipetman Select P200 Gilson, USA FP10005S
Omnifix 1 mL Braun, Germany 4022495251879
Phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) Serva, Germany 32395.03
STERICAN cannula 21 Gx4 4/5 0.8×120 mm Braun, Germany 4022495052414
stirring bar, 15 mm VWR, USA 442-0366
Sucrose Merck, Germany S8501
SW 41 Ti Swinging-Bucket Rotor Beckman Instruments, Germany 331362
Test tubes Eppendorf, Germany 3810X
Tissue grinders, Potter-Elvehjem type, 2 mL glass vessel VWR, USA 432-0200
Tissue grinders, Potter-Elvehjem type, 2 mL plunger with serrated tip VWR, USA 432-0212
Trichloroacetic acid (TCA) Sigma Aldrich, Germany 33731 discontinued,
any TCA will suffice (CAS: 73-03-9)
TRIS Roth, Germany 4855
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References

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Khosravi, S., Frickel, J., Harner, M. E. An Improved Method to Isolate Mitochondrial Contact Sites. J. Vis. Exp. (196), e65444, doi:10.3791/65444 (2023).
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