脂質組學研究的工具和技術
脂質同時是最簡單和最複雜的感興趣的生物分子。雖然蛋白質是由來自 5 個核苷酸的 21 個氨基酸和基因的組合構成的,但脂質中的主要重複單位是 -CH x -。當包括分支和不飽和(可能有順式和反式幾何形狀)時,存在幾乎無限數量的變化。有人可能會爭辯說代謝物在化學上更加多樣化,但這僅僅是因為它們完全來自其他分子類別。
不僅僅是“脂肪”
說“脂質”,有機化學家會想到脂肪、油或蠟,但脂質組比碳氫化合物主題的相關變化要多樣化得多。脂質組學公共資源LIPID MAPS ®結構數據庫 ( LMSD ) 包含 47,449 個獨特的脂質結構,使其成為世界上最大的脂質組學數據庫。截至 2022 年 4 月 1 日,LMSD 包含 47,449 種獨特的脂質結構,屬於八個分子類別:脂肪酸、甘油脂、甘油磷脂、鞘脂、甾醇脂、異戊烯醇脂、醣脂和聚酮化合物。
鍊長、位置異構化和功能化是脂質類別中三個明顯的結構特徵和化學分化點。幸運的是,它們也是用現代分析方法很容易區分的特徵。
由於脂質組學和代謝組學重疊,前者有時被稱為後者的子集。雖然重疊很重要,但由於實際原因,代謝物僅限於分子量低於 1500 Da 左右的代謝產物。“脂質都是疏水的,儘管有些類別可以通過水萃取分離出來,”在 Thermo Fisher Scientific 從事代謝組學應用開發的 Rahul Deshpande 博士說。“由於脂質以獨特的方式發揮作用,並且它們的分析涉及一組有限的技術,它們屬於自己的‘組學類別’。但請記住,存在一些灰色區域。”
另一個微妙的點將脂質與其他“組學”區分開來。來自植物或動物樣品的細胞部分,在對其化學成分進行裂解和分餾時,含有宿主生物代謝(分解代謝和合成代謝)產生的蛋白質組、基因組和代謝組產品。然而,脂質部分可能來自所研究生物體中的類似過程,或者是從飲食中獲得的。“它們是代謝物,但來自與正在研究的生物不同的生物體,”Deshpande 解釋說。
經典的脂質分析涉及水解脂質的氣相色譜 (GC),有或沒有衍生。如今,液相色譜-質譜 (LC-MS) 是首選分析方法,但仍使用較舊的技術,包括薄層色譜和帶有火焰離子化或質量檢測的 GC。
有針對性與無針對性
脂質組學研究可能有針對性或無針對性。非靶向研究傾向於關注全球表達和代謝的脂質成分,這就是數據庫有用的地方。靶向脂質組學通常涉及大海撈針,其中目標的絕對豐度可能非常低,或者相對於更普遍的物種。靶向脂質分析可能需要樣品製備,包括富集、消耗或加標(帶或不帶標記)。
“與所有’組學一樣,濃度動態範圍是脂質組學的一個問題,特別是在有針對性的實驗中,例如炎症的脂質標誌物,”Deshpande 告訴 Biocompare。“還有動態或不斷變化的濃度問題。” Deshpande 指的是在細胞裂解後繼續影響脂質濃度的生化過程,特別是在靶向脂質組學中,以及試劑和環境暴露(例如氧化)的影響。“即使將細胞轉移到磷酸鹽緩衝鹽水中也可能會影響濃度。” 膜脂質相對不受這些因素的影響,但它們的組成會隨著細胞在其生命週期中的進展而變化。“在設計實驗時,必須考慮所有這些因素。”
對粒度的追求
儘管脂質通常被歸為八類之一,但這些分類可以通過化學結構進一步區分。“脂質組學方法經過微調以表徵這些結構複雜性,並且基於用於極性代謝物分析的相同分析平台,”SCIEX 專門從事生命科學研究 – 脂質組學和代謝組學的高級經理 Maryam Goudarzi 說。
這些方法從細胞裂解(如適用)、萃取和具有紫外、MS 或 MS/MS 檢測的 LC(HILIC,反相)開始。在 MS 中,選項包括 MALDI 成像和各種離子淌度方法。氣相色譜也可用於非極性部分或衍生的極性部分,而薄層色譜可用於篩選提取物或色譜部分。“脂質組學也可以與任何其他生化或生物物理分析相結合,以回答有關全球新陳代謝的問題,”Goudarzi 說。
與蛋白質組學、基因組學和代謝組學一樣,脂質組學實驗嚴重依賴標準光譜庫。脂質存在於大多數主要光譜綱要(NIST、HMDB、mzCloud 等)中,但這些庫之間關於碎片和碎片條件的詳細信息有所不同,”Goudarzi 解釋說。“雖然在脂質組學實驗中報告脂質類別、碳數和不飽和度是常規的,但完整的結構闡明在分析和計算上仍然具有挑戰性。Zeno EAD 通過提供額外的片段來提高脂質 ID 的可信度,否則這些片段會在文庫中丟失。這是一個令人興奮的新機會,可以用豐富的註釋填充脂質質譜庫。”
SCIEX 發布了一份 應用說明,描述了 ZenoTOF 7600 MS 系統上的 EAD,用於在單個實驗中闡明甘油磷脂、鞘脂和酰基甘油的結構。與更常用的碰撞誘導解離相比,EAD 報告了對完整脂質表徵至關重要的獨特碎片離子。
主要功能包括更廣泛、更深入地研究脂質樣品、用於優化碎片的可調動能,以及快速 LC-MS 分析和信息相關採集所需的靈敏度。
文章作者-Angelo DePalma
Angelo DePalma 獲得了博士學位。石溪大學有機化學博士,曾任先靈葆雅高級科學家。他撰寫了大量關於生物技術、生物製造、醫療設備、醫藥商業、實驗室儀器和先進材料的文章。