Summary

ミトコンドリア機能障害を研究するための インビトロ アプローチ:サイブリッドモデル

Published: March 09, 2022
doi:

Summary

トランスミトコンドリア・シブリッドは、ミトコンドリアDNA(mtDNA)枯渇細胞(rho0 細胞)と、ミトコンドリア障害に罹患した患者由来の細胞プラスト(除核細胞)とを融合させたハイブリッド細胞である。それらは、疾患の核またはミトコンドリア起源の決定、生化学的活性の評価、およびmtDNA関連変異体の病原性役割の確認を可能にする。

Abstract

酸化的リン酸化(OXPHOS)を行うミトコンドリア呼吸鎖複合体の欠損は、ヒトミトコンドリア障害の生化学的マーカーである。遺伝的観点から見ると、OXPHOSは、核DNA(nDNA)とミトコンドリアDNA(mtDNA)の2つの異なる遺伝子系の相補から生じるため、ユニークな例を表しています。したがって、OXPHOS欠損は、核およびミトコンドリアにコードされる遺伝子に影響を及ぼす変異に起因する可能性がある。

1989年に発表されたKingとAttardiによる画期的な研究は、mtDNA(rho0と名付けられた)を枯渇させたヒト細胞株が、いわゆる「トランスミトコンドリアサイブリッド」を得るために外因性ミトコンドリアによって再移入され得ることを示した。これらのシブリッドは、ミトコンドリア障害患者由来のミトコンドリア(MDs)とrho0 細胞由来の核を含むため、欠損がmtDNA関連かnDNA関連かを検証することができる。これらのサイブリッドはまた、突然変異の病原性を検証し、生化学的レベルでその影響を研究するための強力なツールです。この論文では、サイブリッドの生成、選択、および特性評価を記述する詳細なプロトコルを提示する。

Introduction

ミトコンドリア障害(MD)は、核(nDNA)またはミトコンドリア(mtDNA)DNAのいずれかの変異によるミトコンドリア機能の障害によって引き起こされる多系統症候群のグループである1。それらは最も一般的な遺伝性代謝疾患の1つであり、有病率は1:5,000である。mtDNA関連疾患は、ミトコンドリア遺伝学の規則に従う:母体遺伝、ヘテロプラスミーおよび閾値効果、および有糸分裂分離2。ヒトmtDNAは16.6 kbの二本鎖DNA円であり、複製および転写に必要な配列を有する短い制御領域、13のタンパク質コード遺伝子(呼吸鎖のすべてのサブユニット)、22のtRNA、および2つのrRNA遺伝子3を含む。

健常者では、単一のmtDNA遺伝子型(ホモプラスミー)が存在するが、病理学的状態においては複数の遺伝子型が共存(ヘテロプラスミー)する。有害な異質体変異は、OXPHOSを破壊し、任意の年齢で任意の臓器に影響を与える可能性のある疾患を引き起こすために、臨界閾値を克服しなければならない4.OXPHOSの二重遺伝学は遺伝を指示する:常染色体劣性または優性およびX連鎖性nDNA変異の場合、母体性はmtDNA変異の場合、および散発的な症例はnDNAおよびmtDNAの両方である。

ミトコンドリア医学時代の初めに、キングとアタルディ5による画期的な実験は、mtDNAが完全に枯渇した腫瘍細胞株(rho0細胞)とMD患者からのミトコンドリアからの核を含むハイブリッド細胞を作成することによって、MDの原因となる突然変異の起源を理解するための基礎を確立しました。 そして、核ゲノムまたはミトコンドリアゲノムに変異が存在するかどうかを判断することは容易ではなかった。1989年に記載されたこの方法は、その後、ミトコンドリア医学分野で働くいくつかの研究者によって使用されました6,7,8,9;詳細なプロトコルが最近公開されました10, しかし、ビデオはまだ作られていません.NGSが突然変異がどこにあるかを正確かつ迅速に特定できるのに、なぜそのようなプロトコルが今日関連しているのでしょうか?その答えは、サイブリッド生成が、新規mtDNA変異の病原性役割を理解し、ヘテロプラスミーの割合を疾患の重症度と相関させ、患者の自生核バックグラウンドの寄与が存在しない均質核系において生化学的調査を行うための最先端のプロトコルである1112,13

このプロトコールは、35mmペトリ皿中で増殖したコンフルエントな患者由来の線維芽細胞から細胞プラストを得る方法を記載している。サイトカラシンBの存在下でのディッシュの遠心分離は、除核サイトプラストの単離を可能にし、次いで、ポリエチレングリコール(PEG)の存在下でrho0 細胞と融合させる。得られたシブリッドは、クローンが発生するまで選択培地で培養される。代表的な結果のセクションは、mtDNAがドナー患者の線維芽細胞のそれと同一であり、nDNAが腫瘍性rho0 細胞株の核DNAと同一であることを証明するために、得られたシブリッドの分子特性評価の例を示す。

Protocol

注:ヒト線維芽細胞の使用には、倫理的承認が必要な場合があります。この研究で使用された線維芽細胞は、MD患者に由来し、倫理的要件に従ってインスティテューショナルバイオバンクに保存された。細胞の使用についてインフォームドコンセントが提供された。室温(RT、22-25°C)の滅菌層流キャビネット下ですべての細胞培養手順を実行します。細胞培養および滅菌装置に適した滅菌ろ過溶?…

Representative Results

サイブリッドを生成するには、3日間の実験室作業に加えて、選択期間(〜2週間)とクローンの成長のための追加の1〜2週間が必要です。重要なステップは、細胞プラストの質と選択期間です。サイブリッドの形態は、rho0 ドナー細胞の形態に類似している。サイブリッドにおける正しいmtDNAおよびnDNAの割り当ては、細胞の同一性を確認するために必須である。その一例を <strong class="xfig"…

Discussion

mtDNAは、保護ヒストンの欠如および呼吸鎖に近いその位置のためにnDNAと比較して非常に高い突然変異率を有し、これは修復系16によって効率的に打ち消されない有害な酸化効果に分子をさらす。最初の病原性mtDNA変異は1988年1718年に同定されそれ以来、多数の変異が記載されている。NGS技術は、ミトコンドリアゲノム全体をス?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、マリアニ財団の資金提供を受けたミトコンドリア小児疾患研究センター(http://www.mitopedia.org)で実施されました。VTは、希少神経筋疾患のための欧州参照ネットワーク(ERN EURO-NMD)のメンバーです。

Materials

5-Bromo-2'-Deoxyuridine Sigma-Aldrich (Merck) B5002-500MG
6 well Plates Corning 3516
96 well Plates Corning 3596
Blood and Cell Culture DNA extraction kit QIAGEN 13323
Centrifuge Beckman Coulter Avanti J-25 7,200 rcf, 37 °C
Centrifuge bottles, 250 mL Beckman Coulter 356011
Cytochalasin B from Drechslera dematioidea Sigma-Aldrich (Merck) C2743-200UL
Dialyzed FBS Gibco 26400-036 100mL
DMEM High Glucose (w/o L-Glutamine W/Sodium Pyruvate) EuroClone ECB7501L
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline – PBS (w/o Calcium w/o Magnesium) EuroClone ECB4004L
Ethanol Absolute Anhydrous Carlo Erba 414601
FetalClone III (Bovine Serum Product) Cytiva – HyClone Laboratories SH30109.03
Glass pasteur pipettes VWR M4150NO250SP4
Inverted Research Microscope For Live Cell Microscopy Nikon ECLIPSE TE200
JA-14 Fixed-Angle Aluminum Rotor Beckman Coulter 339247
Laboratory autoclave Vapormatic 770 Labotech 29960014
L-Glutamine 200 mM (100x) EuroClone ECB 3000D
Minimum Essential Medium MEM Euroclone ECB2071L
MycoAlert Mycoplasma Detection Kit Lonza LT07-318
PEG (Polyethylene glicol solution) Sigma-Aldrich (Merck) P7181-5X5ML
Penicillin-Streptomycin (solution 100x) EuroClone ECB3001D
Primo TC Dishes 100 mm EuroClone ET2100
Primo TC Dishes 35 mm EuroClone ET2035
Sodium Pyruvate 100 mM EuroClone ECM0542D
Stereomicroscope Nikon SMZ1000
Trypsin 2.5% in HBSS EuroClone ECB3051D
Uridine Sigma-Aldrich (Merck) U3003-5G

References

  1. Gorman, G. S., et al. Mitochondrial diseases. Nature Reviews. Disease Primers. 2, (2016).
  2. DiMauro, S., Davidzon, G. Mitochondrial DNA and disease. Annals of Medicine. 37 (3), 222-232 (2005).
  3. El-Hattab, A. W., Craigen, W. J., Scaglia, F. Mitochondrial DNA maintenance defects. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Basis of Disease. 1863 (6), 1539-1555 (2017).
  4. Stewart, J. B., Chinnery, P. F. The dynamics of mitochondrial DNA heteroplasmy: implications for human health and disease. Nature Reviews Genetics. 16 (9), 530-542 (2015).
  5. King, M. P., Attardi, G. Human cells lacking mtDNA: repopulation with exogenous mitochondria by complementation. Science. 246 (4929), 500-503 (1989).
  6. Trounce, I., Neill, S., Wallace, D. C. Cytoplasmic transfer of the mtDNA nt 8993 T–>G (ATP6) point mutation associated with Leigh syndrome into mtDNA-less cells demonstrates cosegregation with a decrease in state III respiration and ADP/O ratio. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (18), 8334-8338 (1994).
  7. Jun, A. S., Trounce, I. A., Brown, M. D., Shoffner, J. M., Wallace, D. C. Use of transmitochondrial cybrids to assign a complex I defect to the mitochondrial DNA-encoded NADH dehydrogenase subunit 6 gene mutation at nucleotide pair 14459 that causes Leber hereditary optic neuropathy and dystonia. Molecular and Cellular Biology. 16 (3), 771-777 (1996).
  8. Dunbar, D. R., Moonie, P. A., Zeviani, M., Holt, I. J. Complex I deficiency is associated with 3243G:C mitochondrial DNA in osteosarcoma cell cybrids. Human Molecular Genetics. 5 (1), 123-129 (1996).
  9. Pye, D., et al. Production of transmitochondrial cybrids containing naturally occurring pathogenic mtDNA variants. Nucleic Acids Research. 34 (13), 95 (2006).
  10. Bacman, S. R., Nissanka, N., Moraes, C. T. Chapter 18 – Cybrid technology. Methods in Cell Biology. 155, 415-439 (2020).
  11. Rucheton, B., et al. Homoplasmic deleterious MT-ATP6/8 mutations in adult patients. Mitochondrion. 55, 64-77 (2020).
  12. Xu, M., et al. Identification of a novel variant in MT-CO3 causing MELAS. Frontiers in Genetics. 12, 638749 (2021).
  13. Habbane, M., et al. Human Mitochondrial DNA: Particularities and diseases. Biomedicines. 9 (10), 1364 (2021).
  14. Legati, A., et al. Current and new Next-Generation Sequencing approaches to study mitochondrial DNA. The Journal of Molecular Diagnostics. 23 (6), 732-741 (2021).
  15. Boerwinkle, E., Xiong, W. J., Fourest, E., Chan, L. Rapid typing of tandemly repeated hypervariable loci by the polymerase chain reaction: application to the apolipoprotein B 3′ hypervariable region. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 86 (1), 212-216 (1989).
  16. Lawless, C., Greaves, L., Reeve, A. K., Turnbull, D. M., Vincent, A. E. The rise and rise of mitochondrial DNA mutations. Open Biology. 10 (5), 200061 (2020).
  17. Wallace, D. C., et al. Mitochondrial DNA mutation associated with Leber’s hereditary optic neuropathy. Science. 242 (4884), 1427-1430 (1988).
  18. Holt, I. J., Harding, A. E., Morgan-Hughes, J. A. Deletions of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature. 331 (6158), 717-719 (1988).
  19. Chomyn, A. Platelet-mediated transformation of human mitochondrial DNA-less cells. Methods in Enzymology. 264, 334-339 (1996).
  20. Sazonova, M. A., et al. Cybrid models of pathological cell processes in different diseases. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2018, 4647214 (2018).
  21. Tarrago-Litvak, L., et al. The inhibition of mitochondrial DNA polymerase gamma from animal cells by intercalating drugs. Nucleic Acids Research. 5 (6), 2197-2210 (1978).
  22. Swerdlow, R. H., et al. Mitochondria, cybrids, aging, and Alzheimer’s disease. Progress in Molecular Biology and Translational Science. 146, 259-302 (2017).
  23. Ghosh, S. S., et al. Use of cytoplasmic hybrid cell lines for elucidating the role of mitochondrial dysfunction in Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 893, 176-191 (1999).
  24. Buneeva, O., Fedchenko, V., Kopylov, A., Medvedev, A. Mitochondrial dysfunction in Parkinson’s disease: focus on mitochondrial DNA. Biomedicines. 8 (12), 591 (2020).
  25. Weidling, I. W., et al. Mitochondrial DNA manipulations affect tau oligomerization. Journal of Alzheimer’s disease: JAD. 77 (1), 149-163 (2020).
  26. Ferreira, I. L., et al. Bioenergetic dysfunction in Huntington’s disease human cybrids. Experimental Neurology. 231 (1), 127-134 (2011).
  27. Cruz-Bermúdez, A., et al. Spotlight on the relevance of mtDNA in cancer. Clinical & Translational Oncology. 19 (4), 409-418 (2017).
  28. Patel, T. H., et al. European mtDNA variants are associated with differential responses to cisplatin, an anticancer drug: implications for drug resistance and side effects. Frontiers in Oncology. 9, 640 (2019).

Play Video

Cite This Article
Cavaliere, A., Marchet, S., Di Meo, I., Tiranti, V. An In Vitro Approach to Study Mitochondrial Dysfunction: A Cybrid Model. J. Vis. Exp. (181), e63452, doi:10.3791/63452 (2022).

View Video