Изоляция и дыхательных измерения митохондрий от Резуховидка Таля
Summary
Как Митохондрии являются лишь небольшой процент растительной клетки, они должны быть очищены для целого ряда исследований. Митохондрии могут быть изолированы от различных органов растений, гомогенизации, следуют дифференциальных и плотность градиентного центрифугирования для получения высокоочищенных митохондриальной дроби.
Abstract
Митохондрии являются основные органеллы, участвует в многочисленных метаболических путей в растениях, прежде всего производства аденозинтрифосфата (АТФ) от окисления снижение соединений, таких как никотинамид аденин динуклеотид (NADH) и флавин аденин динуклеотид (2ГВС). Полная Аннотация Arabidopsis thaliana генома установил его как наиболее широко используемых растений модель системы, и таким образом необходимость очистить митохондрий от различных органов (лист, корень или цветок) необходимо в полной мере использовать инструменты, Теперь доступны для Arabidopsis для изучения митохондриальной биологии. Митохондрии, изолируются гомогенизацией тканей, с использованием различных подходов, последовал ряд шагов дифференциального центрифугирования, производству сырой митохондриальной Пелле, который далее очищается с помощью непрерывной коллоидных плотность градиент Центрифугирование. Коллоидный плотность материала впоследствии удаляется несколько шагов центрифугирования. Начиная с 100 г свежих листьев ткани, обычно получается 2-3 мг митохондрий. Респираторные эксперименты на этих митохондрий отображения типичный ставки 100-250 нмоль O2 мин-1 мг всего митохондриальных белок-1 (NADH-зависимая скорость) с возможностью использования различных субстратов и ингибиторов для определения субстраты окисляются и возможностей альтернативных и цитохром терминала оксидазы. Этот протокол описывает метод изоляции митохондрий от Arabidopsis thaliana листья с помощью непрерывной коллоидных плотности градиенты и эффективного дыхания измерения очищенный завод митохондрий.
Introduction
История исследования растений митохондриальной восходит более чем 100 лет1. Нетронутыми митохондрии были впервые выделен в начале 1950-х годов с помощью дифференциального центрифугирования. Появление коллоидных плотность градиента в 1980-х допускается митохондрий очищаться без страданий осмотического перестройки. В то время как градиент очищенный митохондрии подходят для большинства целей, из-за чувствительности масс-спектрометрии, даже сравнительно незначительных загрязнений могут быть обнаружены и может быть ненадлежащим образом назначен митохондриальной расположение2. Использование свободного потока электрофореза могут удалить оба plastidic и Пероксисома загрязнение3, но свободный поток электрофорез узкоспециализированные техника и не требуется для подавляющего большинства исследований. Кроме того, когда определение расположения белка, который она должна быть вспомнил, что двойное или несколько ориентации белков происходит в клетках. Более 100 двойной целевых белков описаны для хлоропластов/пластид и митохондрий4и ряд белков, ориентированные на митохондрии и пероксисомы известны также5. Кроме того перебазирования белков под конкретные стимулы, например оксидативного стресса, является новой темой в ячейки биологии6. Таким образом местоположение белков необходимо рассматривать в контексте изучения биологии, и разнообразные подходы используются для определения и проверки месте2.
Митохондрии обычно изолированы от растительных тканей, гомогенизации, баланс между разорвать открыть клеточной стенки выпустить митохондрии, а не повреждение митохондрий. Традиционно картофель и цветная капуста, гомогенизации предполагает использование бытовой блендер/соковыжималка аппарат сделать жидкого экстракта в буфере с различными компонентами для поддержания активности. Изоляция митохондрий от гороха листья, (популярный материал для митохондриального изоляции с помощью молодых саженцев (~ 10 дней), использует blender для Лизируйте клетки, как лист материала мягкой. При наличии Arabidopsis thaliana T-ДНК инсерционному нокаут-линий необходимо иметь возможность очистить митохондрий выполнять функциональные исследования потребовало разработки методов изолировать митохондрий от лист, корень или цветок ткани. В целом методы, разработанные для других растений работал хорошо7, с приработок, измельчения материала необходимо оптимизировать. Для выращивания арабидопсиса это может быть достигнуто в различных способов (см. ниже) и отличается между типами ткани (корень против съемки). Использование непрерывного градиента также могут быть оптимизированы как плотность митохондрий от различных органов или этапы развития означает, что они могут перенести по-разному. Таким образом для максимального разделения плотность градиента можно усовершенствовать для достижения лучших разделения.
Однажды очищенный, митохондрии может использоваться для различных исследований, в том числе экспериментов усвоение белков и тРНК, анализов активность фермента, дыхательной цепи измерения и Вестерн-блот анализ. Изолированных митохондриях может также использоваться для анализа масс-спектрометрии белков изобилия. Целевые несколько реакции, мониторинг (MRM) анализ позволяет для количественной оценки определенных белков, но требуют значительных пробирного развития. В отличие от этого квантификация диметил или других изотопов этикетки8, обеспечивает открытие подход в выявлении различий через весь протеом, который может использоваться для выявления роман биологические исследования.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как правило изоляции митохондрий от Arabidopsis листья урожайность до 3 мг митохондрий от примерно 80-100 3 – 4 – неделя старый растений, хотя урожайность более чем 5 мг часто может быть достигнуто с тщательного шлифования. Доходность зависит от условий роста и резко, как листья senesce, снижается, хот?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Австралийский исследовательский совет центра передового опыта в завод энергии биологии CE140100008, Австралийский исследовательский совет будущее стипендий (FT130100112) MWM и Феодор Линен стипендий (Александр фон Гумбольдт Фонд, Германия) для JS.
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
- Day, D. A. Highlights in plant mitochondrial research. Methods in molecular biology. Plant mitochondria. 1305, v-xvi (2015).
- 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).
- Eubel, H., et al. Free-flow electrophoresis for purification of plant mitochondria by surface charge. Plant J. 52 (3), 583-594 (2007).
- Murcha, M. W., et al. Protein import into plant mitochondria: Signals, machinery, processing, and regulation. J. Exp. Bot. 65 (22), 6301-6335 (2014).
- Carrie, C., et al. Approaches to defining dual-targeted proteins in Arabidopsis. Plant J. 57 (6), 1128-1139 (2009).
- Pinto, G., Radulovic, M., Godovac-Zimmermann, J. Spatial perspectives in the redox code – Mass spectrometric proteomics studies of moonlighting proteins. Mass Spectrom. Rev. , (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Chrobok, D., et al. Dissecting the metabolic role of mitochondria during developmental leaf senescence. Plant Physiol. 172 (4), 2132-2153 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
