Quantificação baseada em imagens de alto rendimento da síntese e distribuição do DNA mitocondrial

Para a maioria das células eucarióticas, as mitocôndrias são organelas essenciais, pois desempenham um papel crucial em inúmeros processos celulares. Em primeiro lugar, as mitocôndrias são os principais fornecedores de energia das células¹. As mitocôndrias também estão envolvidas na regulação da homeostase celular (por exemplo, redox^{intracelular 2} e balanço de cálcio³), sinalização celular^4,5, apoptose⁶, síntese de diferentes compostos bioquímicos ^7,8 e resposta imune inata⁹. A disfunção mitocondrial está associada a vários estados patológicos e doenças humanas¹⁰.

O funcionamento das mitocôndrias depende da informação genética localizada em dois genomas separados: o genoma nuclear e o genoma mitocondrial. O genoma mitocondrial codifica um pequeno número de genes em comparação com o genoma nuclear, mas todos os genes codificados pelo mtDNA são essenciais para a vida humana. A maquinaria de proteínas mitocondriais necessária para manter o mtDNA é codificada por nDNA. Os componentes básicos do replissoma mitocondrial, bem como alguns fatores da biogênese mitocondrial, já foram identificados (revisado em pesquisa^{anterior11,12}). No entanto, os mecanismos de replicação e manutenção do DNA mitocondrial ainda estão longe de serem compreendidos. Em contraste com o nDNA, o genoma mitocondrial existe em múltiplas cópias, o que fornece uma camada adicional para regular a expressão gênica mitocondrial. Muito menos se sabe atualmente sobre a distribuição e segregação do mtDNA dentro de organelas, em que medida esses processos são regulados e, se são, quais proteínas estão envolvidas¹³. O padrão de segregação é crucial quando as células contêm uma população mista de mtDNA selvagem e mutado. Sua distribuição desigual pode levar à geração de células com uma quantidade prejudicial de mtDNA mutado.

Até o momento, os fatores proteicos necessários para a manutenção do mtDNA têm sido identificados principalmente por métodos bioquímicos, análises bioinformáticas ou estudos associados a doenças. Neste trabalho, a fim de garantir uma alta chance de identificar fatores que escaparam previamente à identificação, uma estratégia diferente é descrita. O método é baseado na marcação do mtDNA durante replicação ou reparo com 5-bromo-2′-desoxiuridina (BrdU), um análogo nucleosídeo da timidina. O BrdU é prontamente incorporado em fitas de DNA nascentes durante a síntese de DNA e, em geral, é usado para monitorar a replicação do DNA nuclear¹⁴. No entanto, o procedimento aqui desenvolvido foi otimizado para detectar BrdU incorporado ao mtDNA usando a imunofluorescência de anticorpos anti-BrdU.

A abordagem permite a quantificação em alto rendimento da síntese e distribuição do mtDNA em células humanas cultivadas in vitro. Uma estratégia de alto rendimento é necessária para conduzir testes sob diferentes condições experimentais em um tempo relativamente curto; Portanto, propõe-se no protocolo a utilização de um formato multipoço para cultura celular e microscopia de fluorescência automatizada para obtenção de imagens. O protocolo inclui a transfecção de células HeLa humanas com uma biblioteca de siRNA e o monitoramento subsequente da replicação ou reparo do mtDNA usando a marcação metabólica do DNA recém-sintetizado com BrdU. Essa abordagem é combinada com a imunomarcação do DNA com a ajuda de anticorpos anti-DNA. Ambos os parâmetros são analisados por microscopia quantitativa de fluorescência. Além disso, as mitocôndrias são visualizadas com um corante específico. Para demonstrar a especificidade do protocolo, a coloração BrdU foi testada em células desprovidas de mtDNA (células rho0), em células HeLa após o silenciamento de fatores de manutenção bem conhecidos do mtDNA e em células HeLa após tratamento com um inibidor de replicação do mtDNA. Os níveis de mtDNA também foram medidos por um método independente, a qPCR.