本文中,我们描述了一种利用液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)从秀丽隐杆线虫(C. elegans)中提取和分析前列腺素及其他二十碳衍生物的优化流程。
本文中,我们描述了一种利用液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)从秀丽隐杆线虫(C. elegans)中提取和分析前列腺素及其他二十碳衍生物的优化流程。
Caenorhabditis elegans 正成为研究脂质生物学的有力动物模型1-9。前列腺素是一类重要的二十碳衍生物,是由多不饱和脂肪酸(PUFAs)衍生而来的脂质信号分子10-14。由于其含量极低且化学性质活泼,这些信号分子难以研究。前列腺素的特征结构是在脂肪酸骨架中含一个环戊烷环。在哺乳动物中,前列腺素可通过环氧化酶依赖性和非依赖性途径生成10,15。C. elegans 能够在不依赖环氧化酶的情况下合成多种多样的前列腺素6,16,17。目前已鉴定出大量F系列前列腺素,但对二十碳衍生物的研究仍处于早期阶段,尚有广阔空间有待新发现。本文描述了一种提取和分析前列腺素及其他二十碳衍生物的方法。采用液-液萃取技术从大量线虫培养物中提取带电脂质,并通过液相色谱-电喷雾串联质谱法(LC-ESI-MS/MS)进行分析。建议在定量分析中使用前列腺素的氘代类似物(如PGF2α-d4)作为内标。可采用多反应监测(MRM)来定量并比较野生型与突变型动物之间特定类型前列腺素的差异。通过碰撞诱导解离(CID)或串联质谱(MS/MS)可获得有关关键结构特征的信息。通过液相色谱-质谱(LC-MS)对选定质荷比范围(例如 m/z 315–360)进行全扫描,可用于评估前列腺素水平的整体变化。我们提供了上述三种分析方法的实例。这些方法将为研究人员提供一套工具,用于发现新的二十碳衍生物并阐明其代谢通路。
前列腺素(PGs)是一类重要的脂质激素,已在多种生物体中被广泛研究,并被认为在调控生殖、免疫和发育过程中发挥重要作用12-14。由于前列腺素是一类由共同前体衍生而来的脂质分子,因此非常适合进行系统生物学的综合分析。线虫 C. elegans 是研究遗传学和系统生物学基本问题时最常用的模式生物之一。
我们已经证明 秀丽隐杆线虫 合成F系列前列腺素,引导游动精子向卵母细胞定向移动3,6,16已鉴定出由20碳多不饱和脂肪酸衍生的F系列前列腺素,其双键数分别为三个、四个和五个,对应F1、F2和F3类3,16这些前列腺素(PG)的合成不依赖于环氧化酶(cyclooxygenase)酶,但PGF1α 和 PGF2α 立体异构体仍会生成。对于定性和定量分析 秀丽隐杆线虫 PGs,液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)是一种强大且灵敏的分析技术。在开展该分析之前,建立优化的提取方法至关重要,因为分析过程的性能在很大程度上取决于提取物的质量。液相色谱与质谱联用仅能提供预期的质荷比(m/z),以及理想的前列腺素(PG)母离子峰形和保留时间。对PG的代谢谱进行分析 秀丽隐杆线虫 是一项具有挑战性的任务,需要采用多种质谱采集策略。
液相色谱-质谱全扫描或称一级质谱扫描(Q1 扫描)的优势在于可确保大多数可电离的磷脂(PGs)产生质谱响应。尽管一级质谱扫描能够提供关于野生型和突变型 C. elegans 中磷脂总体分布的有用信息,但由于灵敏度较低,对微量磷脂的检测能力受到限制。然而,液相色谱-质谱一级扫描仍可提供磷脂的全局视图,特别适用于分析预计会影响大量磷脂群体代谢的突变体。
在代谢物鉴定中,首先对化学合成的前列腺素(PG)标准品进行液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析,以获得其产物离子谱图作为参考化合物。这些谱图可与未知代谢物的谱图进行比对。采用多反应监测(MRM)模式可提高检测的灵敏度和特异性。MRM实验通过设定化合物的母离子与产物离子之间的质荷比跃迁来实现。通过已知目标分析物的质荷比和化学结构,可以预测多种未知代谢物的理论MRM跃迁。
目前尚未有报道针对秀丽隐杆线虫(C. elegans)中同分异构前列腺素(PGs)的优化LC-MS/MS分析方法。本文介绍了一种提取与整合质谱分析方法,结合LC-MS和LC-MS/MS技术,用于检测、定量及研究C. elegans中的PG代谢物。该方法亦可应用于其他二十碳衍生物的分析。
如下所述的实验方案分为三个部分:线虫培养、前列腺素提取和前列腺素分析。如文中所述,样品可在多个步骤暂时保存于 -80 °C 或 -20 °C。
1. 线虫培养
我们建议使用约 6 g 混合发育阶段的线虫进行全面的 LC-MS/MS 分析。这将提供足够的样品量,至少可进行六次独立进样检测。若通过 MRM 对已知的前列腺素(PGs)进行定量分析,单次或两次进样则只需 1–2 g 样品即可。也可对来自特定发育阶段同步培养物的提取物进行分析。最多可同时培养四种不同品系。例如,一种野生型对照和三种不同的突变品系。
2. 前列腺素提取
提取所需的试剂如下所示。该方法改进自Golovko和Murphy17的方法,包括丙酮提取,随后进行液-液纯化,以提高LC-MS/MS的灵敏度。实验中使用Bullet Blender 5匀浆器,但也可使用Dounce匀浆器获得类似结果。使用丁基化羟基甲苯(BHT)并在氮气(N2)环境下蒸发,以防止氧化。所有玻璃器皿均应进行硅化处理(Sigmacote),以减少脂质结合。有机溶剂提取操作应在化学通风橱中进行。
3. 前列腺素分析
样品制备采用经 Golovko 和 Murphy 改良的液-液萃取法进行17. 对内标(PGF)的回收率极佳2α-d4)。从PG中提取的总体方案 C. elegans 如图所示 图1色谱条件经过优化,以实现基线分离 >30种二十烷类标准品(表1 显示13种标准品)。使用Hydro-Rp色谱柱(250 × 2.0 mm内径),以含0.1%甲酸的水和乙腈作为流动相,可实现最佳分离效果和灵敏度。对野生型和 fat-3 突变体提取物如图所示 图2 在315至360原子质量单位的质量范围内检测离子的全局水平。 fat-3(wa22) 突变体缺乏大部分20碳多不饱和脂肪酸。一类F3型前列腺素被标出。在 图3,对野生型提取物进行MRM分析显示出F1的多种PG异构体图3A),F2(图3B)和 F3(图3C 和 3D)类别。F3 类可通过以下两个质量转换中的任意一个进行检测, m/z 351/193 或 m/z 351/191. CePGF2 主要由 PGF 组成2α对映体。CePGF1 很可能是 PGF1α 或其对映体。 图4 显示了CePGF2(保留时间=11.8)与PGF2的碰撞诱导解离对比α 标准品(RT=11.8)。产物离子的微小差异可能是由于CePGF2含量较低以及提取物中存在共洗脱化合物所致。

图1. C. elegans 磷脂酰甘油(PGs)提取及液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析的示意图。注意:丙酮/生理盐水和氯仿中均含有0.005% BHT,以最大限度减少脂质氧化。更多细节请参见正文。 点击此处查看大图。

图 2. 野生型与 fat-3(wa22) 突变体提取物在 m/z 315–360 范围内的全扫描图谱。 液相色谱保留时间(RT)显示于图 [A]。在 RT = 11.3 处提取的离子信号分别展示于野生型 [B] 和 fat-3(wa22) [C] 提取物。其中,质量数为 m/z 351 的 F3 类前列腺素被高亮标出。Cps:每秒计数;a.m.u.:原子质量单位。

图 3. 野生型提取物的 MRM 分析。 F1 类 PG 通过质荷比 m/z 355/311 的质量转换进行检测 [A]。注意,多个疏水性化合物(保留时间 > 14 分钟),不太可能是 PG,也会在此转换下被检测到。F2 类 PG 通过质荷比 m/z 353/193 的质量转换进行检测 [B]。F3 类 PG 可通过质荷比 m/z 351/193 [C] 或 m/z 351/191 [D] 的质量转换进行检测。注意,提取物中含有每类 PG 的多种异构体。数字对应于 表 2 中列出的 PG。CePGF2 的浓度为 1.8 ng/mL。RT,保留时间;cps,计数/秒。

图 4. 化学合成的 PGF2α 与 CePGF2 的碰撞诱导解离。 图中 [A] 面板的箭头指示 PGF2α 与 CePGF2(保留时间 RT=11.8)共有的产物离子或碎片离子。m/z 309 和 m/z 193 处的产物离子由标示的断裂位点(高亮的 a 和 b)产生,对应于所示结构,是 F 系列前列腺素(PGs)的特征性离子 [B]。Cps:每秒计数。点击此处查看高清大图。
| 标准品 | 保留时间(分钟) | [M-H]- m/z | MS/MS 中的关键产物离子 |
| 20-羟基 PGE2 | 9.43 | 367 | 349, 331, 287, 234, 189, 129, 109 |
| PGF3- | 11.26 | 351 | 333, 307, 289, 271, 245, 219, 209, 193, 191, 171, 165, 111 |
| 血栓素 B2 | 11.66 | 369 | 289, 191, 177, 169, 151 |
| PGF2- | 11.80 | 353 | 335, 309, 291, 273, 263, 247, 235, 209, 193, 171, 165, 111 |
| PGF1- | 11.79 | 355 | 337, 319, 311, 301, 293, 275, 265, 237, 211, 195 |
| 脂氧素 B4 | 12.38 | 351 | 201, 191, 189, 165, 155, 115, 107, 71, 59 |
| PGD2 | 12.56 | 351 | 315, 271, 203, 189 |
| 5(S), 6(R)-脂氧素 A4 | 12.83 | 351 | 235, 217, 189, 144, 135, 115, 99, 59 |
| PGA2 | 14.02 | 333 | 315, 297, 271, 235, 191, 189, 175, 163, 137, 113, 109 |
| Δ12-PGJ2 | 14.20 | 333 | 271, 189, 123 |
| 白三烯 B4 | 14.73 | 335 | 181, 109, 93, 71, 69, 59, 57 |
| 15d-Δ12,14-PGJ2 | 16.80 | 315 | 297, 271, 217, 203, 158 |
| 5(S)-HpETE | 17.88 | 335 | 97, 83, 81, 57 |
表1. 13种二十碳衍生物标准品在LC-MS/MS方法中的保留时间及关键产物离子3 . 开发LC-MS/MS程序时使用了30多种标准品。色谱保留时间(RT)在结构非常相似的前列腺素(PG)之间也存在差异,PGF1α和PGF2α是例外。然而,这些PG可通过其母离子质量([M-H]- m/z)和碰撞诱导解离谱(MS/MS)加以区分。
| 前列腺素类别 | 图3中的编号 | [M-H]- m/z | MS/MS中的关键产物离子 |
| F1 (CePGF1) | 1 | 355 | 319, 301, 311, 293, 275, 265, 237, 223, 211, 195, 157 |
| F1 | 2 | 355 | 311, 301, 293, 275, 265, 211, 195, 167, 157 |
| F2 (CePGF2) | 3 | 353 | 309, 291, 273, 263, 247, 209, 193, 171, 165, 127 |
| F2 | 4 | 353 | 309, 291, 273, 263, 255, 247, 219, 209, 193, 171, 113 |
| F3 | 5 | 351 | 315, 307, 289, 275, 249, 205, 193, 191, 167, 153, 139 |
| F3 | 6 | 351 | 333, 289, 271, 261, 245, 223, 193, 191, 163 |
表2. 图3中所示的几种主要C. elegans F1、F2和F3 PGs的碰撞诱导解离产物离子。其他丰度较低的异构体的MS/MS结果未显示。这些数据来自多次分析,单次运行中可能无法观察到所有产物离子。鉴于提取物的复杂性,一些丰度较低的产物离子可能来源于具有相似保留时间的其他母离子,或由干扰导致。峰2可能是CePGF1的立体异构体,峰4可能是CePGF2的立体异构体。更多数据参见Edmonds, et al. (2010)3。
我们描述了一种用于类二十烷酸提取与分析的实验流程,重点针对F系列前列腺素(PGs)。该流程中存在若干可能产生问题的环节。首先,线虫培养过程中必须避免饥饿,因为饥饿会改变前列腺素的代谢。为补充营养,建议使用NA22菌株而非更常用的OP50菌株,因为NA22菌株可达到更高的密度。然而,NA22菌株缺乏抗生素抗性,更容易受到污染。其次,与哺乳动物组织相比,线虫体内单个前列腺素异构体的合成丰度较低,这可能部分归因于多种异构体之间的功能冗余。我们建议使用约6 g组织以实现全面分析并获得更强的信号。若组织量较少(1–2 g),可将干燥提取物重悬于较少体积的甲醇-水溶液中以提高前列腺素浓度,但仅能进行一至两次进样。本实验室LC-MS/MS系统的检测限约为10 pg PGF2α /ml。1 ml 密集培养的混合阶段线虫(约 1 g)可获得大约 25–50 pg 的 CePGF2。更灵敏的质谱系统可减少分析所需的线虫组织量。第三,不同样品间前列腺素提取效率的差异可能导致结果波动。我们发现,当组织平行提取时,提取效率非常接近。为确定提取效率,可加入 1.0 ng 的 PGF2α- d4 在均质化步骤中作为内参。使用质量转换的多反应监测(MRM) m/z 357/197 用于测量 PGF2α-d4 浓度相对于 1 ng/ml 标准溶液。PGF 的含量2α- d4 提取过程中损失的量随后被计算。
我们所列出的色谱参数和质谱转换条件可进行调整,以检测其他前列腺素(PG)和类二十烷酸。尽管付出了大量努力,我们仍未能在提取物中鉴定出D系列或E系列的前列腺素17。此外,我们未检测到具有自由基引发过氧化反应特征的8-iso PGF2α和8-iso PGE2,这类反应会产生非选择性的前列腺素立体异构体混合物19。线虫是否合成其他类型的前列腺素尚不清楚。已在秀丽隐杆线虫(C. elegans)提取物中发现内源性大麻素以及花生四烯酸和二十碳五烯酸的各种环氧化物和羟基化代谢产物5,7,20,21。我们建议分别采用多反应监测(MRM)和串联质谱(MS/MS)结合标准品进行定量和定性分析。对于新型类二十烷酸,应结合脂肪酸合成酶缺陷的fat突变体的比较研究22以及可能的功能实验来进行分析。分析fat突变体时需注意,线虫体内即使存在极微量的多不饱和脂肪酸(PUFA)也足以支持前列腺素的合成。例如,fat-2(wa17)突变体仍保留少量D12去饱和酶活性(约为野生型的5%22),并仍能产生前列腺素6。fat-3(wa22)和fat-4(wa14)突变体则无法合成来源于花生四烯酸和二十碳五烯酸的前列腺素16。我们还发现,fat突变体会通过上调剩余PUFA类别的前列腺素合成来补偿缺失的PUFA类别。例如,fat-3(wa22)突变体不能合成大多数来源于20碳PUFA的前列腺素,而是似乎上调了来源于18碳PUFA的新型前列腺素的合成16。迄今为止,我们尚未发现完全缺乏前列腺素合成能力的C. elegans品系。前列腺素可能对线虫的生长或发育至关重要。
感谢阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)靶向代谢组学与蛋白质组学实验室,该实验室部分得到了UAB皮肤病研究中心(P30 AR050948,负责人:C. Elmets)、UAB-UCSD奥布莱恩急性肾损伤中心(P30 DK079337,负责人:A. Agarwal)以及UAB肺健康中心(R01 HL114439、R01 HL110950,负责人:J.E. Blalock)的支持。质谱仪的经费来自美国国家研究中心资源部(NCRR)共享仪器资助项目(S10 RR19261,负责人:S. Barnes)。我们还感谢Ray Moore提供的技术支持。C. elegans菌株由受美国国立卫生研究院(NIH)资助的Caenorhabditis遗传中心提供。本研究由美国国立卫生研究院(NIH)资助(R01GM085105,负责人:MAM,包括一项ARRA行政补充资助)。
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| 丁基化羟基甲苯 | MP Biomedicals | 101162 | |
| 正己烷,HPLC 级 | Fisher Scientific | H302-1 | |
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| 氯仿,HPLC 级 | 阿克罗斯 | AC26832-0010 | 可通过赛默飞世尔科技公司获取 |
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| API 4000 三重四极杆质谱仪 | 应用生物系统公司/MDS SCIEX | ||
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| 12 g | KH2PO4 | ||
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