Summary

分離とシロイヌナズナ由来のミトコンドリアの呼吸測定

Published: January 05, 2018
doi:

Summary

ミトコンドリアは、植物細胞のわずかな割合は、彼ら研究の範囲を精製する必要があります。ミトコンドリアは、均質化、続いて高純度ミトコンドリア分画を取得する微分と密度勾配遠心法によってさまざまな植物器官から分離できます。

Abstract

ミトコンドリアは植物、特にニコチン酸アミドアデニンジヌクレオチド (NADH) やフラビン アデニンなど削減化合物の酸化からアデノシン三リン酸 (ATP) の生産の多くの代謝経路に関与する重要な細胞内小器官型 (FADH2)。シロイヌナズナのゲノムの完全な注釈が確立して最も広くプラント モデルを使用し、したがってさまざまな器官 (葉や根、花) からミトコンドリアを浄化するために必要なツールをフル活用する必要があること今ミトコンドリアの生物学を研究するシロイヌナズナ用があります。ミトコンドリアは、様々 なアプローチ、続いて連続コロイド密度勾配を使用して更に精製粗ミトコンドリア ペレットを生産差動遠心分離手順の一連を使用して組織の均質化によって分離します。遠心分離。コロイド密度材料がその後複数の遠心分離手順によって削除されます。新鮮な葉のティッシュの 100 g から始まって、ミトコンドリアの 2-3 mg 日常的に取得できます。これらのミトコンドリアの呼吸実験阻害剤及び各種の基材を使用しているを確認する能力を持つ 100 250 nmol O2-1 mg ミトコンドリア蛋白-1 (NADH 依存率) の典型的な率を表示します。基板を酸化と代替とチトクローム ターミナル オキシダーゼの容量。このプロトコルでは、シロイヌナズナ葉連続コロイド密度勾配および精製された植物ミトコンドリアの効率的な呼吸測定を使用してからミトコンドリアの分離法について説明します。

Introduction

植物ミトコンドリア研究の歴史は、100 年1以上さかのぼります。無傷ミトコンドリアが 1950 年代初頭に隔離された最初差動遠心分離を使用します。1980 年代におけるコロイドの密度勾配の出現は、浸透圧調節を受けることがなく精製するミトコンドリアを許可しました。グラデーション精製ミトコンドリアは質量分析法の感度のためのほとんどの目的に適しているも比較的軽微な汚染物質検出することができます、不適切なミトコンドリアの場所2を割り当てることができます。プラスチド局在型の両方を削除フリーフロー電気泳動することができますの使用とペルオキシソーム汚染3、無料が、フローの電気泳動は専門性の高い技術と研究の大半には必要ありません。さらに、そのデュアルまたは複数のターゲット蛋白質の思い出したする必要がある蛋白質の場所を決定するときにセルに発生します。葉緑体/プラスチドとミトコンドリアの4、およびミトコンドリア標的蛋白質の数の以上 100 デュアル ターゲットタンパク質を説明し、ペルオキシソームでは5が知られています。さらに、特定の刺激、酸化ストレスなどの下で蛋白質の再配置は、細胞生物学6新興テーマです。このように、蛋白質の位置を学び、生物学の文脈で検討する必要が、さまざまなアプローチ、決定および場所2を確認します。

ミトコンドリア、通常の均質化によって植物組織から分離されて、バランスがミトコンドリアを解放する細胞壁を壊して開けるとミトコンドリアを損傷されていない間必要です。伝統的に、ジャガイモとカリフラワー、均質化は、活動を維持するためにさまざまなコンポーネントのバッファーで抽出液を作る家庭用ミキサー/ジューサー装置を使用します。エンドウ葉からミトコンドリアの分離 (稚苗 (~ 10 日古い) を使用してミトコンドリアの分離のための普及した材料は、葉材が柔らかくて、細胞を溶解するミキサーを利用しています。シロイヌナズナT-DNA 挿入ノック アウトの行の可用性と機能研究を実施するミトコンドリアを浄化することができる必要がある葉、根、花からミトコンドリアの分離法の開発組織。全体的に他の植物の開発方法を最適化するために必要な材料の研削役得で、よく7に働いた。シロイヌナズナのこれはさまざまな方法 (下記参照) で達成することができます、組織の種類 (撮影対ルート) によって異なります。さまざまな器官からミトコンドリアの密度として連続的な勾配の使用を最適化することも、または発達段階を意味する彼らは別様に移行することができます。したがって、最大分離のためグラデーションの密度は、洗練された最高の分離を達成するためにことを確認することができます。

一度精製したタンパク質、tRNA の吸収実験、酵素活性測定法、呼吸鎖測定および西部のしみの分析を含む研究のさまざまなミトコンドリアを使用ことができます。ミトコン ドリアは、蛋白質量の質量分析にも使用できます。複数の反応 (MRM) 分析を監視可能の定量化タンパク質を定義しますが、重要な分析法の開発を必要とする対象となります。これに対し、ジメチルまたは他同位体ラベル8による定量化は、生物学的知見を明らかにする使用することができます全体のプロテオームの間での違いを識別するに発見アプローチを提供します。

Protocol

このプロトコルはそのまま土壌コロイドの連続密度勾配を使用して上に成長したシロイヌナズナ器官ミトコンドリアの分離に使用されます。4 ° C で行われているすべてのプロシージャの次の材料のコレクション 1. 粉砕媒体、洗浄バッファー、およびグラデーションのソリューションの準備 研磨媒体 (マイナス アスコルビン酸とシステイン) とテーブ?…

Representative Results

このプロトコルを使用して、SDS-PAGE とイムノブロットによって異なるミトコンドリア蛋白質を検出することができました。図 3 aに示すように、水の培養組織から分離したタンパク質はかすかなバンド (2 μ g) を検出するのに十分です。信号強度は、ロード量に比例して増加します。プレート (図 3 b)、高い光ストレスへの応?…

Discussion

通常、シロイヌナズナからミトコンドリアの分離は徹底的な研磨と 5 mg を超える利回りが得られますが約 80-100 の 3 – 4 週間の古い植物からミトコンドリアの 3 mg を利回りを残します。収量は生育条件によって異なります、老化9の中にも維持されるように思われますがミトコンドリアの構造は、senesce の葉、劇的に減少します。良好な収率を取得する最も重要な機能の 1 つは?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究、オーストラリア研究協議会優秀センターのプラント エネルギー生物学 CE140100008、オーストラリア研究協議会未来フェローシップ (FT130100112) を MWM とフョードル ・ リュネン研究員 (アレクサンダー ・ フォン ・ フンボルトによって支えられました財団、ドイツ) JS に。

Materials

ADP Sigma-Aldrich A2754 Chemical
Antimycin A Sigma-Aldrich A8674 Chemical, dissolve in ethanol
AOX antibody from Tom Elthon Elthon et al., 1989
Ascorbate Sigma-Aldrich A0157 Ascorbate Oxidase from Cucurbita sp.
ATP Sigma-Aldrich A26209 Chemical
Bovine serum albumin (BSA) Bovogen BSAS 1.0 Chemical
Clarity western ECL substrate Bio-Rad Laboratories 1705061 Chemical
Criterion Stain-Free Precast Gels 8-16% 18 Wells Bio-Rad Laboratories 5678104 Chemical
Cyanide Sigma-Aldrich 60178 Chemical
Cytochrome c Sigma-Aldrich C3131 Chemical
Difco Agar, granulated BD Biosciences 214530 Chemical
Dithiotreitol Sigma-Aldrich D0632 Chemical
EDTA disodium salt Sigma-Aldrich E5134 Chemical
Gamborg B-5 Basal Medium Austratec G398-100L Chemical
Gamborg Vitamin Solution (1000x) Austratec G219-100ML Chemical
Goat Anti-Mouse IgG (H + L)-HRP Conjugate Bio-Rad Laboratories 1706516-2ml Chemical
Goat Anti-Rabbit IgG (H + L)-HRP Conjugate Bio-Rad Laboratories 1706515-2ml Chemical
L-Cysteine Sigma C7352-100G Chemical
Magnesium sulfate Sigma-Aldrich 230391 Chemical
Murashige & Skoog Basal Salt Mixture (MS) Austratec M524-100L Chemical
Myxothiazol Sigma-Aldrich T5580 Chemical, dissolve in ethanol
NADH Sigma-Aldrich N8129 Chemical
Ndufs4 antibody from Etienne Meyer Meyer et al., 2009
n-Propyl gallate Sigma-Aldrich P3130 Chemical, dissolve in ethanol
Percoll GE Healthcare 17-0891-01 Chemical, colloidal density gradient
Polyvinylpyrrolidone (PVP40) Sigma-Aldrich PVP40 Chemical
Potassium cyanide Sigma-Aldrich 60178 Chemical
Potassium phosphate monobasic (KH2PO4) Sigma-Aldrich P5655 Chemical
Pyruvate Sigma-Aldrich P2256 Chemical
Sodium chloride Chem-Supply SA046 Chemical
Sodium dithionite Sigma-Aldrich 157953 Chemical
Sodium L-ascorbate Sigma A4034-100G Chemical
Succinate Sigma-Aldrich S2378 Chemical
Sucrose Chem-Supply SA030 Chemical
TES Sigma-Aldrich T1375 Chemical
Tetrasodium pyrophosphate (Na4P2O7 · 10H2O) Sigma-Aldrich 221368 Chemical
Trans-Blot Turbo RTA Midi Nitrocellulose Transfer Kit Bio-Rad Laboratories 1704271 Chemical
Triton-X 100 Sigma-Aldrich X100 Chemical, detergent
Western Blocking Reagent Sigma 11921681001 Chemical
Balance Mettler Toledo XS204 Equipment
Beakers Isolab 50 mL
Centrifuge Beckman Coulter Avanti J-26XP Equipment
Centrifuge tubes Nalgene 3117-9500 Equipment
Circulator Julabo 1124971 Attached to oxygen electrode chamber
Conical flask Isolab 500 mL
Dropper 3 mL
Fixed angle rotor Beckman Coulter JA25.5 Equipment
Funnel Per Alimenti 14 cm For filtering
Gradient pourer Bio-Rad 165-4120 For preparation of gradients
Magnetic Stirrer ATE VELP Scientifica F20300165 Equipment
Miracloth VWR EM475855-1R Filtration material
Mortar and pestle Jamie Oliver Granite, 6 Inch Equipment
O2view Hansatech Instruments Oxygen monitoring software
Oxygraph Plus System Hansatech Instruments 1187253 Clark-type oxygen electrode
Paintbrush Artist first choice 1008R-12
Parafilm Bemis PM-996 plastic paraffin film
Peristaltic pump Gilson F155001 For preparation of gradients
PVC peristaltic tubing Gilson F117930 For preparation of gradients
Water bath VELP Scientifica OCB Equipment

References

  1. Day, D. A. Highlights in plant mitochondrial research. Methods in molecular biology. Plant mitochondria. 1305, v-xvi (2015).
  2. Millar, A. H., Carrie, C., Pogson, B., Whelan, J. Exploring the function-location nexus: Using multiple lines of evidence in defining the subcellular location of plant proteins. Plant Cell. 21 (6), 1625-1631 (2009).
  3. Eubel, H., et al. Free-flow electrophoresis for purification of plant mitochondria by surface charge. Plant J. 52 (3), 583-594 (2007).
  4. Murcha, M. W., et al. Protein import into plant mitochondria: Signals, machinery, processing, and regulation. J. Exp. Bot. 65 (22), 6301-6335 (2014).
  5. Carrie, C., et al. Approaches to defining dual-targeted proteins in Arabidopsis. Plant J. 57 (6), 1128-1139 (2009).
  6. Pinto, G., Radulovic, M., Godovac-Zimmermann, J. Spatial perspectives in the redox code – Mass spectrometric proteomics studies of moonlighting proteins. Mass Spectrom. Rev. , (2016).
  7. Day, D. A., Neuburger, M., Douce, R. Biochemical characterisation of chlorophyll-free mitochondria from pea leaves. Aust. J. Plant Physiol. 12 (3), 219-228 (1985).
  8. Boersema, P. J., Raijmakers, R., Lemeer, S., Mohammed, S., Heck, A. J. Multiplex peptide stable isotope dimethyl labeling for quantitative proteomics. Nat. Protoc. 4 (4), 484-494 (2009).
  9. Cheah, M. H., et al. Online oxygen kinetic isotope effects using membrane inlet mass spectrometry can differentiate between oxidases for mechanistic studies and calculation of their contributions to oxygen consumption in whole tissues. Anal Chem. 86 (10), 5171-5178 (2014).
  10. Chrobok, D., et al. Dissecting the metabolic role of mitochondria during developmental leaf senescence. Plant Physiol. 172 (4), 2132-2153 (2016).
  11. Lee, C. P., Eubel, H., O’Toole, N., Millar, A. H. Combining proteomics of root and shoot mitochondria and transcript analysis to define constitutive and variable components in plant mitochondria. Phytochemistry. 72 (10), 1092-1098 (2011).
  12. Lee, C. P., Eubel, H., Solheim, C., Millar, A. H. Mitochondrial proteome heterogeneity between tissues from the vegetative and reproductive stages of Arabidopsis thaliana development. J. Proteome Res. 11 (6), 3326-3343 (2012).
  13. Millar, A. H., Whelan, J., Soole, K. L., Day, D. A. Organization and regulation of mitochondrial respiration in plants. Annu. Rev. Plant Biol. 62, 79-104 (2011).
  14. Peters, K., et al. Complex I – complex II ratio strongly differs in various organs of Arabidopsis thaliana. Plant Mol. Biol. 79 (3), 273-284 (2012).
  15. Werhahn, W. H., et al. Purification and characterization of the preprotein translocase of the outer mitochondrial membrane from Arabidopsis thaliana: Identification of multiple forms of TOM20. Plant Physiol. 125 (2), 943-954 (2001).
  16. Heazlewood, J. L., Howell, K. A., Whelan, J., Millar, A. H. Towards an analysis of the rice mitochondrial proteome. Plant Physiol. 132 (1), 230-242 (2003).

Play Video

Cite This Article
Lyu, W., Selinski, J., Li, L., Day, D. A., Murcha, M. W., Whelan, J., Wang, Y. Isolation and Respiratory Measurements of Mitochondria from Arabidopsis thaliana. J. Vis. Exp. (131), e56627, doi:10.3791/56627 (2018).

View Video