本文介绍了一种从单个土壤样品中同时提取代谢物、蛋白质和脂质的实验方案,可缩短样品前处理时间,并实现对样品量有限的样本进行多组学质谱分析。
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本文介绍了一种从单个土壤样品中同时提取代谢物、蛋白质和脂质的实验方案,可缩短样品前处理时间,并实现对样品量有限的样本进行多组学质谱分析。
基于质谱(MS)的整合宏蛋白质组学、代谢组学和脂质组学(多组学)研究正在改变我们理解和表征环境与生物系统中微生物群落的能力。这些检测甚至能够对复杂的土壤微生物群落进行更深入的分析,而土壤微生物群落是迄今已知最复杂的微生物系统。然而,多组学分析在样品制备方面仍存在挑战,因为通常每种组学研究都需要独立的提取步骤,从而显著增加了制备时间和所需样品量。为解决这一局限性,研究人员通过改进一种基于溶剂的方法,开发出一种“三合一”技术——可从同一样品中同时提取代谢物、蛋白质和脂质(MPLEx)。该MPLEx方案已被证明对多种样品类型均简单且稳健,即使在处理少量复杂土壤样品时也表现良好。MPLEx方法还极大地促进了快速多组学检测的实现,有助于更深入地理解各微生物群落的组成成员,并评估其在生物和环境扰动下发生的变化。
评估土壤微生物群落对于理解碳循环和气候变化具有重要意义。然而,近期研究强调了若干困难,例如多种土壤类型中微生物群落缺乏测序完成的基因组,以及所检测到的许多蛋白质功能尚不明确。这些挑战的根源在于土壤是迄今已知最复杂的微生物群落1,2,3。近年来,多组学分析——整合宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学、代谢组学和脂质组学研究结果的方法——已被广泛应用于多项土壤研究中,以更深入地了解存在的微生物,并全面获取因环境扰动所引发的分子变化信息1,4,5。多组学研究面临的一个挑战是,基于质谱(MS)的宏蛋白质组学、代谢组学和脂质组学检测通常需要针对每种组学分别进行特定的提取流程,以确保与质谱兼容6,7,8,9。这些精确的步骤在样品量有限的情况下,往往难以甚至无法实施。这些困难促使我们探索一种可同时提取代谢物、蛋白质和脂质(MPLEx)的方法,该方法能够使用更小的样品体积或质量,提高准确性,并为这三项分析提供更快的样品制备流程10。迄今为止,尚无其他土壤提取方法能够同时实现这些目标。
为了实现对单个土壤样本的全球多组学分析,采用了一种基于氯仿、甲醇和水相分离的有机溶剂提取方法10。该方法最初用于总脂质的提取9,11,最近被改进为可从单一样本中同时提取代谢物、蛋白质和脂质12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,从而减少样本用量并降低实验变异性10。在MPLEx方案中,氯仿与水不互溶,由此形成三相体系,使样本组分发生化学分离并分布于不同相层中。最上层的水相含有亲水性代谢物,中间为蛋白质圆盘层,最下层的氯仿相则为脂质层(图1)。当MPLEx应用于大多数土壤时,颗粒状残渣会沉积在采样管最底部,在收集完所有相层后可将其弃去。然而,不同土壤类型存在差异;在泥炭等高有机质土壤中,土壤残渣会停留在中间层,不会沉降至采样管底部。MPLEx在从同一样本中分离多种分子类型时具有多项优势:1)可用于多组学分析的样本量更小;2)对同一样本进行多组学提取可降低整体实验变异性;3)可在更短时间内制备更多样本,从而提高通量研究的效率10。这些优势共同为更精确地评估土壤样本及其复杂的微生物群落提供了关键的测量能力。
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注意:非常潮湿的土壤可在提取前进行冻干处理,这不会影响提取效果。也可直接使用湿土,但在按特定比例添加试剂时应考虑其含水量。
注意:建议每次提取使用 20 g 干土重量,需将土壤分装至两个 50 mL 离心管中(每管最多加入 10 g 土壤)。可根据样品量的多少相应放大或缩小提取规模。
注意:干燥的土壤样品可通过3 mm筛网进行筛分,以实现均质化并去除细小的根系和石块。请勿筛分湿润的土壤样品,因为样品会堵塞筛网。
1. 土壤细胞裂解及代谢物、蛋白质和脂质的提取(耗时约1天)
2. 脂质制备(耗时约20分钟)
3. 代谢物制备与衍生化(耗时约5小时)
4. 蛋白质消化(耗时约1天)
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当使用 MPLEx 方案从美国堪萨斯州本土草原土壤(一种软土,Mollisol)中提取分子时,三次重复分析共鉴定出 3376 种肽段、105 种脂质和 102 种极性代谢物(均为唯一性鉴定结果)。尽管 MPLEx 方案已被广泛用于脂质和代谢物的通用提取12,13,14,15,16,17,18,19,20,21
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需要注意,并非所有实验室都具备相同的设备,因此某些步骤(例如裂解步骤)可以进行适当调整。本文中我们采用涡旋振荡和超声处理,但使用大型50 mL珠磨机同样可行。如果无法获得冷凝器温度可达到-105 °C的冷冻干燥机,则可使用氮气流对样品进行干燥。此外,土壤类型差异很大,可能包括沙土、粉土、黏土、泥炭、壤土(etc.),并且在pH值、盐度和有机质含量方面也可能有所不同。这些差异中的每一种都可能对实验方案产生影响,因此在操作中保持灵活性并根据需要进行调整非常重要。然而,必须严格保持各试剂的比例和百分比不变。
MPLEx 方案在多种生物和环境系统中展现出广阔的应用前景,能够实现对土壤微生物群落的多组学分析。此前将 MPLEx 与其他适用于不同系统的提取方案进行比较的研究表明,其在肽段覆盖度方面具有很高的重叠性10。然而,一个已观察到的局限性是,MPLEx 不适用于需要去除的血液血浆蛋白。在这些情况下,沉淀的蛋白质无法被免疫耗竭柱中的抗体有效识别,而此类抗体是实现血浆蛋白质组广泛覆盖所必需的。因此,在此类情况下应采用更为标准的...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
作者感谢 Nathan Johnson 在准备图表过程中提供的帮助。本研究由美国能源部生物与环境研究办公室(基因组科学计划)资助的泛组学计划(Pan-omics Program)、太平洋西北国家实验室(PNNL)的过渡期微生物组(Microbiomes in Transition, MinT)实验室自主研究开发计划,以及美国国立卫生研究院环境健康科学国家研究所(R01 ES022190)和美国国立卫生研究院(P42 ES027704)提供支持。KEBJ 感谢 R21 HD084788 提供的资金支持,用于开发和验证新型多组学提取技术。本工作在太平洋西北国家实验室(PNNL)的 W. R. Wiley 环境分子科学实验室(EMSL)完成,EMSL 是美国能源部下属的国家级科学用户设施。PNNL 是由 Battelle 公司根据合同 DE-AC06-76RL01830 为美国能源部运营的多项目国家实验室。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯仿 | Sigma-Aldrich | 650498 | 储存于 -20°C!警告:氯仿具有急性健康危害,可引起皮肤刺激及可能的化学灼伤,对呼吸系统有刺激作用,可能影响肾脏、肝脏和心脏。佩戴合适的防护眼镜、防护服和手套,并在通风橱中操作。 |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 34860 | 储存于 -20°C!警告:甲醇可能引起呼吸道、皮肤和眼睛刺激,可能损害神经、肾脏和肝脏。佩戴合适的防护眼镜、防护服和手套,并在通风橱中操作。 |
| Millipore纯水 | Milli-Q | 水纯化系统。 | |
| 十二烷基硫酸钠 | Sigma-Aldrich | L6026 | !警告:SDS具有急性毒性且易燃。对皮肤、眼睛和呼吸道具有刺激性。佩戴手套和安全眼镜。 |
| 土壤蛋白提取试剂盒 | MoBio, NoviPure Soil Protein Extraction Kit, Qiagen | 30000-20 | |
| DL-二硫苏糖醇 | Sigma-Aldrich | 43815 | |
| 1M Trizma HCl | Sigma-Aldrich | T2694 | |
| 三氯乙酸 | Sigma-Aldrich | T0699 | !警告:TCA具有腐蚀性、毒性,可能引起皮肤灼伤。佩戴手套和安全眼镜。 |
| 丙酮 | Sigma-Aldrich | 650501 | 储存于 -20°C!警告:丙酮可能引起呼吸道、皮肤和眼睛刺激。易燃液体和蒸气。佩戴安全眼镜、手套和实验服,并在通风橱中操作。 |
| 尿素 | Sigma-Aldrich | 208884 | !警告:尿素对眼睛和皮肤有刺激性,使用时应佩戴手套和安全眼镜 |
| 碳酸氢铵 | Fluka | 09830 | |
| 胰蛋白酶 | Promega | V528A | 20µg 小瓶 |
| 双辛酸蛋白测定试剂盒 | Pierce | 23227 | |
| 甲酸铵 | Sigma-Aldrich | 09735 | |
| 乙腈 | Sigma-Aldrich | 34998 | !警告:乙腈对皮肤和眼睛有刺激性。高度易燃。佩戴手套和安全眼镜。在通风橱中操作。 |
| 三氟乙酸 | Sigma-Aldrich | T6508 | !警告:TFA在皮肤接触、眼睛接触、摄入或吸入时具有极高危险性。可能造成组织损伤,尤其对眼睛、口腔和呼吸道黏膜。皮肤接触可能导致灼伤。佩戴手套、实验服、安全眼镜,并在通风橱中操作。 |
| 盐酸甲氧胺 | Sigma-Aldrich | 226904 | !警告:盐酸甲氧胺可引起严重灼伤和严重眼部损伤,皮肤接触可能引起致敏反应。佩戴安全眼镜、手套和实验服,并在通风橱中操作。 |
| 吡啶 | Sigma-Aldrich | 270970 | !警告:吡啶可引起皮肤和眼睛刺激,导致中枢神经系统抑制。蒸气可能引发闪燃。佩戴安全眼镜、手套和实验服,并在通风橱中操作。 |
| N-甲基-N-(三甲基硅基)三氟乙酰胺含1%三甲基氯硅烷 | Sigma-Aldrich | 69478 | !警告:MSTFA + 1% TMCS可引起皮肤腐蚀、严重眼部损伤和特定靶器官毒性。易燃液体和蒸气。佩戴安全眼镜、手套和实验服,并在通风橱中操作。 |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| Milli-Q 水纯化系统 | Millipore | 型号 MPGP04001 | |
| 涡旋振荡器 | Scientific Industries | SI-0236 | Vortex Genie 2 |
| 探头式超声破碎仪 | FisherBrand | 型号 FB505 | |
| 冷冻离心机 | Eppendorf | 型号 5810R | |
| 50 mL 摆桶转子 | Eppendorf | A-4-44 | |
| 50 mL 固定角转子 | Eppendorf | FA-45-6-30 | |
| 天平 | OHAUS | 型号 V22PWE150IT | |
| 移液管控制器(血清学移液管) | Eppendorf | 12-654-100 | |
| 10 mL、25 mL 玻璃血清学移液管 | FisherBrand | 13-678-27F, 13-678-36D | |
| 带 Thermotop 的恒温混匀仪 | Eppendorf | 5382000015, 5308000003 | |
| 0.9 – 2.0 mm 不锈钢混合珠 | NextAdvance | SSB14B | |
| 0.15 mm 石榴石珠 | MoBio | 13122-500 | |
| 磁力搅拌器 | FisherBrand | 11-100-16SH | |
| 磁力搅拌子 | FisherBrand | 14512130 | |
| pH 试纸条,pH 范围 0–14 | FisherBrand | M95903 | |
| 15 mL、50 mL 锥形聚丙烯离心管 | Genesee Scientific | 21-103 21-108 | 耐氯仿 |
| 50 mL 涡旋附件 | MoBio | 13000-V1-50 | |
| 冰桶 | FisherBrand | 02-591-44 | |
| 27.25x70 mm 玻璃小瓶 | FisherBrand | 03-339-22K | |
| Breathe Easier 板膜 | Midwest Scientific | BERM-2000 | |
| 酒精擦拭巾 | Diversified Biotech | BPWP-1000 | |
| 加热振荡培养箱 | Benchmark, Incu-Shaker Mini | ||
| 模拟旋转管式混匀仪 | SoCal BioMed, LLC | 82422001 | |
| 滤膜辅助样品制备试剂盒 | FASP; Expedeon | 44250 | |
| 酶标仪 | Biotek, EPOCH | ||
| -20 摄氏度冰箱 | Fisher | 13986149 | |
| -80 摄氏度冰箱 | Stirling Ultracold | SU78OUE | |
| Q-Exactive 离子阱质谱仪 | Thermo Scientific | ||
| Agilent 7890A 气相色谱仪,配备单四极杆 5975C 质谱仪 | Agilent Technologies, Inc. | ||
| LTQ-Orbitrap Velo | Thermo Scientific | ||
| Waters NanoEquityTM 超高效液相色谱系统 | Millford, MA | ||
| 250 mL 培养瓶 | FisherBrand | 1395-250 | |
| Waters 小瓶 | Waters | 186002805 | |
| 玻璃质谱样品瓶及内插管 | MicroSolv | 9502S-WCV, 9502S-02ND | |
| 玻璃高效液相色谱瓶及压盖 | MicroSolv | 9512C-0DCV, 9502C-10C-B | |
| 高效液相色谱 96 孔板 | Agilent | 5042-6454 | |
| 大玻璃瓶 27.25x70 mm | FisherBrand | 03-339-22K | |
| 冷冻干燥机 | Labconco | 7934021 | |
| 抛光不锈钢平头刮勺 | Spoonula; FisherBrand | 14-375-10 | |
| Kim 擦拭纸 | Kimberly-Clark | 34721 | |
| XBridge C18, 250x4.6 mm, 5 μM,配 4.6x20 mm 保护柱 | Waters | 186003117, 186003064 | |
| Agilent 1100 系列高效液相色谱系统 | Agilent Technologies | G1380-90000 | |
| 1.7 mL 离心管 | Sorenson | 11700 | |
| Hamilton 玻璃注射器,5 mL、50µL 和 250µL | Hamilton | 81517, 80975, 81175 | |
| 巴斯德移液管 | FisherBrand | 13-678-20A | |
| 巴斯德移液管橡胶吸头 | Sigma-Aldrich | Z111597 | |
| 水浴超声仪 | Branson 1800 Ultrasonic Cleaner | ||
| 真空离心浓缩仪 | Labconco Centrivap Acid-Resistant Concentrator System | ||
| 微型离心柱,C18 硅胶 | The Nest Group | SEM SS18V |
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