Hier presenteren we een protocol te halen, op te lossen en te identificeren mitochondriale supercomplexen die blootstelling aan detergenten en Coomassie blauw minimaliseert. Dit protocol biedt een optimaal evenwicht tussen resolutie, en behoud van enzymactiviteiten, terwijl het minimaliseren van het risico om labiele proteïne-eiwitinteractie te verliezen.
Complexen van de oxidatieve phosphorylation machines vorm supramoleculaire eiwit regelingen genaamd supercomplexen (SCs), die worden verondersteld om structurele en functionele voordelen te verlenen aan mitochondria. SCs zijn geïdentificeerd in vele soorten, van gist tot zoogdier, en een toenemend aantal studies rapporteren verstoring van hun organisatie in genetische en verworven ziekten van de mens. Als gevolg daarvan is een toenemend aantal laboratoria geïnteresseerd in het analyseren van SCs, die kan worden methodologisch uitdagend. Dit artikel bevat een geoptimaliseerd protocol dat de voordelen van Blue-en Clear-native pagina methoden combineert om SCs op een tijd-effectieve manier op te lossen en te analyseren. Met deze hybride CN/BN-pagina methode, mitochondrial SCs geëxtraheerd met optimale hoeveelheden van de milde wasmiddel digitonin worden kort blootgesteld aan de anionische kleurstof Coomassie blauw (CB) aan het begin van de elektroforese, zonder blootstelling aan andere wasmiddelen. Deze korte blootstelling aan CB maakt het mogelijk om SCs te scheiden en op te lossen zo effectief als met traditionele BN-pagina methoden, terwijl het vermijden van de negatieve impact van hoge CB niveaus op in-gel activiteit assays, en labiele eiwit-Eiwitinteracties binnen SCs. Met dit protocol is het dus mogelijk om nauwkeurige en snelle in de metingen van de gel-activiteit met analytische technieken te combineren die 2D elektroforese, immuun-opsporing, en/of Proteomics voor geavanceerde analyse van SCs impliceren.
Mitochondriën produceren energie door middel van oxidatieve phosphorylation, waar respiratoire complexen I-II-III-IV oxideren substraten en de overdracht elektronen naar zuurstof, het genereren van een gradiënt die het mogelijk maakt phosphorylation van ADP door de ATP synthase (CV). In de afgelopen jaren hebben uitgebreide studies aangetoond dat ademhalingsketen complexen niet uitsluitend lineair in het binnenste mitochondriale membraan zijn verwerkt, maar ook in supercomplexen (SCs) arrangementen1,2zijn ingedeeld. In de mitochondria van zoogdieren, SCs bestaan in verschillende stoichiometries: CI/CIII2/CIV1-4 (die wordt genoemd de respirasome, en die in staat is Nijhuis: O2 oxidoreduction in vitro)2, CI/CIII2, en CIII2 /CIV1-23,4. Bovendien worden Ademhalings complexen verdeeld onder verschillende verhoudingen tussen hun vrije vorm en SCs regelingen. Daarom wordt geschat dat 85%-100% van CI, 55%-65% van de CIII, en 15%-25% van de CIV zijn te vinden in SCs4. Deze supramoleculaire structuren worden verondersteld om de productie van ROS te verminderen, te stabiliseren of in de assemblage van individuele complexen te helpen, de ademhalingsketen activiteit regelen, en eiwit samenvoeging in het eiwitrijke binnen mitochondrial membraan te verhinderen5 ,6,7,8. Hun hermodellering vermogen op variatie in de vraag naar energie en hun belang in de pathogenese van ziekten wordt onderzocht in verschillende laboratoria3,7,9,10, 11 , 12 , 13 , 14. studies hebben aangetoond dat pathologische veranderingen in de SCs assemblage aanwezig zijn in een verscheidenheid van aandoeningen, met inbegrip van, maar niet beperkt tot, genetische defect in cardiolipin synthese15, hartfalen16, ischemie-reperfusie17, diabetes12, en het verouderen18.
De inheemse elektroforese en immunodetection worden wijd gebruikt in de studies van SCs om OXPHOS complexen quaternaire regelingen2,19,20,21op te lossen. De inheemse elektroforese kan verder met specifiek in de tests van de gel-activiteit of 2D-sds-pagina worden gecombineerd om nauwkeurige moleculaire bepaling van diverse SCs assemblage1,19toe te laten. De mogelijkheid om SCs te bestuderen is kritisch afhankelijk van de extractie condities, waaronder type en concentratie van wasmiddel, Ionische sterkte en pH, alsmede op elektroforetische migratie omstandigheden, die bestaan uit buffer samenstelling, aanwezigheid van CB, gel grootte, en acrylamide percentage2.
Protocollen en SCs band resolutie variëren sterk onder de papieren, waardoor de vergelijking tussen de studies moeilijk en aanpassing van de methoden uitdagende22. Daarom, dit document stelt een robuust en optimaal protocol om SCs uittreksel uit geïsoleerde mitochondriën van verschillende bronnen met de niet-ionische wasmiddel digitonin, en het oplossen van hoge moleculair gewicht SCs bands. De geoptimaliseerde detergent concentratie, de samenstelling van de extractiebuffer, en de afwezigheid van Coomassie blauw in steekproefvoorbereiding minimaliseren verstoring van eiwitcomplexen. Dit protocol (Zie Figuur 1 voor een overzicht) combineert CN-pagina en bn-pagina voor een optimale SCs assemblage resolutie over grote gel, en is compatibel met in-gel activiteit assays waardoor een betere visualisatie van reactieve bands, samen met het gebruik van immunodetection voor een gedetailleerde analyse SCs regelingen en samenstelling.
Mitochondriale supercomplexen worden actief bestudeerd om hun fysiologische rol te verhelderen, en hun belang in de pathogenese van tal van menselijke ziekten, of ze zijn verworven of genetische mitochondriale ziekten3,7 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14. om betrouwbare resultaten te behalen, moeten verschillende aspecten in overweging worden genomen. Dit protocol is getest met muis lever mitochondriën, muis skeletspier mitochondria (resultaten niet getoond), rat Heart mitochondria, en de menselijke fibroblast mitochondriën (resultaten niet getoond), maar kan zeker worden aangepast aan andere bronnen van geïsoleerde Mitochondria. De methode combineert verschillende aspecten van bn-en CN-pagina protocollen, die het mogelijk maken de blootstelling aan detergenten en anionische verbindingen tot een minimum te beperken ten opzichte van de gepubliceerde protocollen20,27,28.
Monstervoorbereiding
Monstervoorbereiding is een cruciale stap voor een succesvolle scheiding van SCs. buffer samenstelling moet zorgvuldig worden geselecteerd om een goede oplosbaar maken van eiwitten en eiwitten samenstellingen te bereiken, met behoud van zoveel mogelijk hun functionele en structurele integriteit. Ionische sterkte en pH van de extractiebuffer zijn twee belangrijke factoren te overwegen. Zoutconcentraties die te laag zijn (< 50 mM K-acetaat of NaCl) zal resulteren in een slechte oplosbaar maken van eiwitten in aanwezigheid van niet-ionische detergenten, terwijl de zoutconcentraties boven 500 mM zal bevorderen eiwit stapelen/aggregatie, en neerslag van CB en proteïnen29. SCs moet daarom worden geëxtraheerd met behulp van buffers in de buurt van fysiologische Ionische sterkte. Met betrekking tot pH, wordt het gebruik van een dichtbijgelegen fysiologische pH geadviseerd.
Wasmiddel type en detergent/eiwit ratio zijn ook van cruciaal belang voor een optimale SC extractie. Voor het maximale behoud van native SCs, digitonin heeft de voorkeur26. Zoals blijkt uit het huidige protocol en andere gepubliceerde methoden23,30,31,32, dit milde wasmiddel behoudt de supramoleculaire samenstelling van meerdere SC assemblages, en de dimeer en Oligomere structuur van ATPsynthase (Figuur 3 en Figuur 4). De titratie van de steekproeven van belang met diverse hoeveelheden van digitonin is kritiek om de voorwaarden te identificeren die optimale oplosbaar maken, terwijl het bewaren van enzymactiviteit en fysiologische eiwitinteractie toelaten. Titratie moet worden uitgevoerd met ratio’s variërend tussen 2 en 8 g/g26. Optimale resultaten voor lever, skeletspieren en cardiale mitochondriën zijn respectievelijk verkregen met 4,5, en 6 g digitonin/g eiwit. Opgemerkt moet worden dat digitonin kan worden vervangen door Triton X-100, die in optimale omstandigheden resulteert in soortgelijke migratie en SC samenstelling als die waargenomen met digitonin2. Echter, dit wasmiddel moet worden gebruikt met de nodige voorzichtigheid, omdat relatief kleine stijging van het wasmiddel/eiwit ratio (bijvoorbeeld van 1 tot 1,5 g/g) kan resulteren in een volledige dissociatie van SCs assemblies2, wat kan resulteren in experimentele inconsistenties. Na extractie, worden de steekproeven traditioneel aangevuld met Coomassie blauw om proteïnen een last te geven wanneer toegepast op de gel, behalve traditionele CN-pagina20,26. Om eiwit blootstelling aan Coomassie blauw en potentiële scheiding van labiele proteïnen te minimaliseren, worden de steekproeven niet aangevuld met Coomassie blauw in dit protocol.
Elektroforese
Zowel CN-PAGE en BN-pagina zijn gebruikt om mitochondriale OXPHOS complexen studie, elk van hen met verschillende voordelen en beperkingen. De mildere voorwaarden die onder CN-pagina worden gebruikt (hoofdzakelijk het ontbreken van CB, die een detergens-als effect heeft), staat beter behoud van ATP synthase in-gel activiteit toe, en beperkt de scheiding van labiele proteïnen in hoog moleculair gewicht SCs en ATP synthase samenstellingen26. Nochtans, veroorzaakt de afwezigheid van de anionic kleurstof CB in het eiwit uittreksel en de elektroforese buffers de proteïnen om te migreren gebaseerd op hun intrinsieke last en ISO punt, dat de elektroforetische mobiliteit van proteïnen binnen gel26vermindert. Bovendien, in de afwezigheid van CB, eiwitten met onvoldoende negatieve lading de neiging om aggregaat, waardoor de resolutie van eiwitcomplexen in de gel20,26. Om deze beperkingen te omzeilen, is de zogeheten hoge-resolutie CN-pagina ontwikkeld door Wittig en Schragger20. In dit protocol, natrium deoxycholate (DOC) en diverse milde niet-ionische detergenten (DDM, Triton X100) worden toegevoegd aan de kathode buffer te houden membraaneiwitten solubilized en een negatieve lading verschuiving op te leggen eiwitten, wat resulteert in een aanzienlijke verbetering van resolutie20.
Een onderscheidend kenmerk van het huidige hybride CN/BN-protocol is dat zonder deze detergenten een vergelijkbare resolutie kan worden bereikt. Kortstondige toevoeging van CB aan de kathode buffer aan het begin van de elektroforese volstaat om eiwit aggregatie te beperken en de mobiliteit in de gel te verbeteren (Figuur 3 en Figuur 4). Als gevolg hiervan, deze hybride techniek maakt een uitstekende resolutie van verschillende SC assemblages en zeer lage of geen blootstelling aan detergenten. De aanwezigheid van lage bedragen van CB maakt het ook mogelijk een betere bewaring van CV-activiteit, een betere bewaring van dimeer en oligomere CV samenstellingen (Figuur 3 en Wittig en Schägger 200526), en een vermindering van de blauwe achtergrondgeluid dat kan de kwantificering van de gel-activiteiten belemmeren, met name voor CII en CIV (Figuur 2). Bovendien beperkt de afwezigheid van CB in het eiwit extract de verstoring van labiele-Eiwitinteracties binnen SCs. Bijvoorbeeld, fysieke vereniging van de ATP synthase met ANT om de synthasome 33 of met Cyclophilin-D te vormen om PTP opening 34 te reguleren zijn beter te zien in afwezigheid van CB. Kortstondige blootstelling aan CB tijdens elektroforese slechts kan daarom nuttig zijn om nieuwe eiwitinteractie binnen SCs te openbaren. in het algemeen maakt dit hybride CN/BN-pagina Protocol het mogelijk om nauwkeurige en snelle gel-activiteit metingen te combineren met analytische technieken die 2D elektroforese, immuun-opsporing en/of Proteomics voor geavanceerde analyse van SCs impliceren. Opgemerkt moet worden dat met de groeiende belangstelling voor SCs, een toenemend aantal studies gebruik kleine 10 x 10 cm gels voor native pagina. Hoewel deze aanpak kan voldoende zijn om grove veranderingen in de overvloed SC assemblages te identificeren, de lagere scheiding capaciteit van kleine gels is waarschijnlijk beperkt tot subtiele herschikkingen op te lossen of om verschillende bands gesneden voor Proteomic analyse. Bovendien, verschillende studies met behulp van kleinere gels hebben gemeld dat de respirasome migreert op dezelfde grootte als de ATPsynthase dimeer, waardoor het moeilijk is om ze te scheiden22. Daarom moet het gebruik van grote gels worden begunstigd.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen bedanken Jenna Rossi voor technische bijstand, en Dr. Mireille Tina, Dr. David Patten en Dr. Joeri Anil Kumar voor nuttige discussie, terwijl de ontwikkeling van deze methode. Dit werk werd gefinancierd door de Canadese instituten van het onderzoek van de gezondheid (CIHR) en de nationale wetenschappen en techniek Raad van Canada (NSERC). AC is een ontvanger van Doctoral Award-Frederick Banting en Charles Best Canada Graduate beurzen (CIHR).
3,3'-Diaminobenzidine tetra-hydrochloride hydrate | Sigma | D5637 | |
6-amino caproic acid | sigma | A2504 | |
Acrylamide | Sigma | A3553 | |
Adenosine 5'-triphosphate disodium salt hydrate | sigma | A3377 | |
Anti-ATPB antibody [3D5] – Mitochondrial Marker | Abcam | ab14730 | Lot number GR3174539-12, RRID AB_301438 |
Anti-SDHA antibody [2E3GC12FB2AE2] | Abcam | ab14715 | Lot number GR3235943-1, RRID AB_301433 |
Anti-UQCRC2 antibody [13G12AF12BB11] | Abcam | ab14745 | Lot number GR304308-3, RRID AB_2213640 |
Bis N,N'-Methylene-Bis-Acrylamide | Biorad | 1610201 | |
Brilliant Blue G | Sigma | 27815 | |
COX4 Monoclonal Antibody (1D6E1A8) | Invitrogen | 459600 | Lot number TI2637158, RRID AB_2532240 |
Cytochrome c from equine heart | sigma | C7752 | |
Digitonin | Sigma | D141 | |
Fisherbrand FH100M Multichannel Peristaltic Pumps | Thermo Fisher | 13-310-660 | |
Imidazole | Sigma | I0250 | |
Inner Glass Plates. Pkg of 2, 20 x 20 cm, glass plates for 20 cm PROTEAN II xi and PROTEAN II XL electrophoresis cells, use with outer plate | Biorad | 1651823 | |
Model 485 Gradient Former. 40-175 ml acrylamide gradient former, includes valve stem and tubing kit, for use with Mini-PROTEAN multi-casting chamber systems | Biorad | 1654120 | |
NDUFA9 Monoclonal Antibody (20C11B11B11) | Invitrogen | 459100 | Lot number TD2536591, RRID AB_2532223 |
Nitrotetrazolium Blue chloride | Sigma | N6639 | |
Outer Glass Plates. Pkg of 2, 22.3 x 20 cm, glass plates for 20 cm PROTEAN II xi and PROTEAN II XL electrophoresis cells, use with inner plate | Biorad | 1651824 | |
Phenylmethanesulfonyl floride | Sigma | P7626 | |
Powerpack 1000 | Biorad | Serial Number 286BR 07171 | |
PROTEAN II Sandwich Clamps. Pkg of 2, clamps for running gels, for 20 cm PROTEAN II xi electrophoresis cell, 1 left and 1 right | Biorad | 1651902 | |
PROTEAN II xi Cell. Large format vertical electrophoresis cell, 16 x 20 cm gel size, 4 gel capacity, spacers and combs | Biorad | 1651811 | |
PROTEAN II xi Comb. Pkg of 1, 15-well, 1.5 mm, comb for PROTEAN II xi electrophoresis cell | Biorad | 1651873 | |
PROTEAN II xi Multi-Gel Casting Chamber. Multi-gel casting chamber, 20 x 20 cm gel size, for up to ten 1.5 mm thick gels, includes sealing plate, gasket, separation sheets, acrylic blocks, PROTEAN II XL alignment cards | Biorad | 1652025 | |
PROTEAN II xi Spacers. Pkg of 4, 1.5 mm, spacers for 20 cm PROTEAN II xi electrophoresis cell | Biorad | 1651849 | |
SCIENCEWARE Utility Bags (10 x 12") 4 mil, Bel-Art, Box of 100 | VWR | 11215-388 | |
Thick Blot Paper. Pkg of 25 sheets, 15 x 20 cm, absorbent filter paper, for use with Trans-Blot cassette | Biorad | 1703956 | |
Trans-Blot Cell With Plate Electrodes and Super Cooling Coil. Transfer cell and cooling coil (#170-3912), includes 2 gel holder cassettes, buffer tank, lid with cables, fiber pads, 1 pack blot paper | Biorad | 1703939 |