本文介绍了一种用于分离和表征海洋七鳃鳗疑似信息素化合物的结构、嗅觉活性及其行为反应的实验方案。
本文介绍了一种用于分离和表征海洋七鳃鳗疑似信息素化合物的结构、嗅觉活性及其行为反应的实验方案。
生物测定引导的分级分离是一种迭代方法,利用生理学和行为学生物测定的结果来指导活性信息素化合物的分离与鉴定。该方法已成功用于鉴定多种动物物种中作为信息素发挥作用的化学信号。七鳃鳗依靠嗅觉来检测介导其行为或生理反应的信息素。我们利用鱼类生物学的这一知识,推测潜在信息素的功能,并指导活性信息素组分的分离与鉴定。采用色谱法从处理过的水中提取、浓缩并分离化合物。通过电嗅觉图(EOG)记录确定哪些组分可引发嗅觉反应。随后使用双选迷宫行为实验,判断具有气味的组分是否也具有行为活性并诱导偏好反应。质谱和波谱方法提供分子量和结构信息,以辅助结构解析。通过EOG和行为实验验证纯化合物的生物活性。在迷宫中观察到的行为反应最终应在野外环境中加以验证,以确认其在自然溪流环境中的功能。这些生物测定具有双重作用:1)指导分级分离过程;2)确认并进一步明确所分离组分的生物活性。本文报告了一项代表性海七鳃鳗信息素鉴定研究的结果,展示了生物测定引导分级分离方法的应用价值。鉴定海七鳃鳗信息素尤为重要,因为调控其信息素通讯系统是当前控制入侵性海七鳃鳗在劳伦提安五大湖扩散的备选策略之一。该方法可轻松适用于广泛生物类群的化学通讯研究,有助于揭示水传化学生态学的机制。
信息素是生物个体释放的特定化学信号,有助于其寻找食物来源、探测捕食者以及调节同种个体之间的社会行为1。昆虫的信息素通讯已被广泛研究2;然而,水生脊椎动物信息素的化学鉴定及其生物学功能尚未得到充分研究。了解所释放信息素的化学结构与功能,可用于促进濒危物种的恢复3,4,或控制有害物种5,6。这些技术的应用需要对具有生物活性的信息素成分进行分离和表征。
信息素鉴定是天然产物化学的一个分支。由于信息素分子本身的特性,信息素研究的进展在一定程度上受到限制。信息素通常不稳定且释放量极微,目前仅有少数采样技术可用于检测微量挥发性物质7,8 或水溶性化合物9鉴定信息素的方法包括:1)对已知化合物进行靶向筛选,2)代谢组学分析,以及3)生物活性引导的组分分离。靶向筛选已知化合物是指检测那些已被假定可作为信息素的生理过程代谢副产物,且这些化合物可从商业途径获得。该方法的局限性在于研究人员仅能测试已知且可获取的化合物。然而,该方法已成功鉴定了在金鱼中起信息素作用的性激素。10,11,12代谢组学是另一种信息素鉴定方法,可识别生物系统内潜在的小分子代谢产物13. 两组代谢谱的比较(即,一种活性 与 一种非活性提取物)可用于鉴定潜在的代谢谱,从中纯化代谢物、解析其结构并验证其生物活性14特定混合物的复杂配方更有可能通过代谢组学检测到加性或协同效应,因为代谢物被视为一个整体,而非一系列组分分数。13然而,代谢组学的应用依赖于合成标准品的可获得性,因为所产生的数据无法帮助解析新结构。
生物测定引导的分级分离是一种整合了化学与生物学两个领域的系统性、迭代式研究方法。该方法利用生理学和行为学生物测定的结果,指导活性信息素化合物的分离与鉴定。粗提物依据某种化学性质进行分级分离即分子大小、极性 等等。)并利用电嗅觉图(EOG)记录和/或生物测定法进行检测。通过重复上述分馏步骤以及EOG和/或生物测定,筛选出具有生物活性的组分。纯化活性化合物的结构通过质谱和波谱方法解析,获得其分子量及结构信息,从而为化合物的合成提供模板。生物测定导向的分馏方法可获得多种代谢产物,甚至可能发现具有独特化学骨架的新颖信息素,这些结构难以通过生物合成途径预测。
本文描述了一种基于生物活性检测的分级分离方法,用于分离和鉴定雄性海七鳃鳗性信息素化合物的生物活性。海七鳃鳗(Petromyzon marinus)是研究信息素通讯的理想脊椎动物模型,因为这种鱼类在完成其包含幼虫、幼体和成体三个不同阶段的溯河洄游生活史过程中,高度依赖嗅觉系统来感知化学信号。海七鳃鳗的幼虫栖息于淡水溪流的沉积物中,经历显著的变态过程后转变为幼体,并迁移到湖泊或海洋中,寄生在大型鱼类宿主上。在脱离宿主后,成体返回产卵溪流,其洄游过程受到溪流中定居幼虫释放的洄游信息素引导15,16,17,18,19。成熟的雄性个体上溯至产卵场,释放一种多组分的性信息素以吸引配偶,间歇性地繁殖约一周后死亡15,20。鉴定海七鳃鳗信息素具有重要意义,因为调控其信息素通讯系统是目前被考虑用于控制五大湖地区入侵性海七鳃鳗种群的策略之一21。
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本文所述所有方法均已获得密歇根州立大学机构动物护理和使用委员会(AUF# 03/14-054-00 和 02/17-031-00)的批准。
1. 七鳃鳗条件水的收集与提取
2. 通过色谱法分离组分馏分
3. 电嗅觉图(EOG)记录以鉴定有气味的组分/化合物
4. 双选择迷宫行为生物测定法用于鉴定具有行为活性的组分/化合物

5. 从活性组分中通过色谱法分离纯化合物
6. 利用质谱法(MS)和核磁共振波谱法(NMR)解析纯净化合物的结构
7. 通过电生理图(EOG)和生物测定确认纯化合物具有气味且具有行为活性
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图解总结了生物测定导向分级分离方案中所述的步骤,如图1所示。该方案包括分离和表征5种假定的海七鳃鳗信息素的结构、嗅觉活性及行为活性的步骤(图2)。通过质谱和核磁共振数据(图3和图4),从经成熟雄性海七鳃鳗处理过的水中解析出了匹罗米曾A-B和匹罗米酮A-C的结构22,29。
我们来自EOG记录的代表性数据(图5)表明,Petromyzene A-B和Petromyzon A-C均为强效的气味分子,能够刺激成年海七鳃鳗的嗅觉上皮组织,并具有较低的...
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鱼类生活在一个充满尚未被鉴定化合物的化学世界中。生物活性检测引导的分级分离技术已被证明对于鉴定和表征介导多种化学相互作用的生物活性分子至关重要,例如在樱鳟31、亚洲象32以及海七鳃鳗33,34,35中所观察到的相互作用。生物活性检测引导的分级分离是一种有效的方法,能够从初始提取物精确追踪并定位到纯化的活性化合物。通过该方法鉴定出的生物活性化合物,可能揭示出具有独特化学骨架的新型化合物,而这种结构通常难以从已知的生物合成途径中预测得到。
通过EOG记录来确定哪些组分或化合物能够引发嗅觉反应。为了准确测量假定信息素在EOG记录中的嗅觉反应,需注意若干关键技术要点。首先,根据机构动物护理与使用委员会(IACUC)批准的操作规程,必须使用3-氨基苯甲酸乙酯(MS222)对鱼类进行深度麻醉,并通过肌肉注射三碘季胺...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢美国地质调查局哈蒙德湾生物站提供研究设施,以及美国鱼类和野生动物管理局和加拿大渔业与海洋部工作人员提供七鳃鳗。本研究由五大湖渔业委员会向 Weiming Li 和 Ke Li 提供的资助项目支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带细丝的优质标准壁硼硅酸盐毛细管 | Warner Instruments | G150F-4 | 记录电极和参比电极(外径 1.5 mm,内径 0.86 mm) |
| 拉针仪 | Narishige | PC-10 | 用于制备EOG电极 |
| 金刚石尖端玻璃切割器 | Generic | 用于切割EOG电极尖端 | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 | World Precision Instruments | 1B150-4 | EOG用气味递送管 |
| 直筒E系列记录电极夹,适用于外径1.5 mm玻璃毛细管,配有Ag/AgCl小球 | Warner Instruments | ESP-M15N | 记录电极夹 |
| 带手柄E系列参比电极夹,适用于外径1.5 mm玻璃毛细管,配有 Ag/AgCl小球 | Warner Instruments | E45P-F15NH | 参比电极夹 |
| 1 mm插针 | Warner Instruments | WC1-10 | 用于连接参比电极夹和记录电极夹 |
| 2 mm插针 | Warner Instruments | WC2-5 | 用于连接参比电极夹和记录电极夹 |
| 琼脂 | Sigma | A1296 | 熔融琼脂,用于填充电极 |
| 氯化钾(KCl) | Sigma | P9333 | 3M KCl,用于填充电极和电极夹 |
| 微量移液管填充丝 | World Precision Instruments | MF28G-5 | 用于填充电极和电极夹 |
| L-精氨酸 | Sigma | A5006 | EOG阳性对照气味剂 |
| 甲醇 | Sigma | 34860 | |
| 水浴锅 | 定制 | N/A | 用于盛放EOG实验用气味剂 |
| 3-氨基苯甲酸乙酯(MS222) | Syndel USA | Tricaine1G | EOG麻醉剂 |
| 三碘季胺酚(Gallamine triethiodide) | Sigma | G8134-5G | EOG麻痹剂 |
| 1 mL注射器 | BD Biosciences | 301025 | 用于注射麻痹剂 |
| 皮下注射针头 26G 5/8 | BD Biosciences | 305115 | 用于注射麻痹剂 |
| 滚轴夹 | World Precision Instruments | 14043-20 | 调节麻醉剂流入七鳃鳗口腔的流速 |
| 氯化钠(NaCl) | J.T. Baker | 3624-05 | 用于配制0.9%生理盐水 |
| V形塑料支架(作为样品台) | 定制 | N/A | 在EOG实验中固定七鳃鳗 |
| 塑料槽 | 定制 | N/A | 用于支撑EOG实验中的V形塑料支架 |
| 手术刀片 - #11 | Fine Science Tools | 10011-00 | 用于EOG解剖 |
| 手术刀柄 - #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | 用于EOG解剖 |
| 直头超细镊子 | Fine Science Tools | 11252-00 | 用于EOG解剖,Dumont #5SF 镊子 |
| 弯头超细镊子 | Fine Science Tools | 11370-42 | 用于EOG解剖,Moria MC40B |
| 直头弹簧剪 | Fine Science Tools | 15003-08 | 用于EOG解剖 |
| 体视显微镜 | Zeiss | Discovery V8 | 用于EOG解剖 |
| 照明光源 | Zeiss | CL 1500 ECO | 用于EOG解剖 |
| 塑料管路 | Generic | 用于连接循环式EOG装置和水浴锅 | |
| 气味递送管路 | 定制 | N/A | |
| 管路内滤器及垫圈组件 | Lee Company | TCFA1201035A | |
| 显微操作器 | Narishige | MM-3 | 用于定位电极和气味递送毛细管 |
| 磁性固定装置 | Kanetec | MB-K | |
| 阀驱动器 | Arduino | 定制 | 用于控制气味刺激阀门的开启 |
| 电磁阀 | Lee Company | LFAA1201618H | 用于气味刺激的阀门 |
| NeuroLog 交流/直流放大器 | Digitimer Ltd. | NL106 | 用于放大诱发电信号的幅度 |
| 带前置放大头的NeuroLog直流前置放大器 | Digitimer Ltd. | NL102G | 用于放大诱发电信号的幅度 |
| 低通60 Hz滤波器 | Digitimer Ltd. | NL125 | |
| 数据采集卡(Digitizer) | Molecular Devices LLC | Axon Digidata 1440A | |
| 运行Axoscope数据采集软件的戴尔计算机(OptiPlex 745) | Molecular Devices LLC | AxoScope 版本 10.4 | |
| 法拉第笼 | 定制 | N/A | 电磁噪声屏蔽 |
| 双选择迷宫 | 定制 | N/A | 防水处理的船用级胶合板,内衬塑料膜 |
| 排污泵 | Honda | WT30XK4A | 从附近河流向迷宫注水 |
| 带管路的蠕动泵 | Cole Parmer | Masterflex 07557-00 | 用于在迷宫中递送气味剂 |
| 逆变发电机 | Honda | EU1000i | 为蠕动泵供电 |
| 释放笼 | 定制 | N/A | 用于在迷宫中使七鳃鳗适应环境 |
| 网状材料 | Generic | 用于限定迷宫尺寸,并通过网辊减少水流扰动 | |
| 桶(5加仑) | Generic | 用于混合气味剂 | |
| 流量计 | Marsh-McBirney | Flo-Mate 2000 | 用于测量流量 |
| XAD 7 HP 树脂 | Dow chemical | 37380-43-1 | 用于条件化水的提取 |
| 甲醇 | Sigma | 34860 | 用于条件化水的提取 |
| 水浴锅 | Yamato | BM 200 | 用于条件化水的提取 |
| 冷冻干燥机 | Labconco | CentriVap Concentrator | 用于条件化水的提取 |
| 氯仿 | Sigma | CX1050 | 用于分离组分池 |
| 硅胶 70-230目 | Sigma | 112926-00-8 | 用于分离组分池 |
| 硅胶 230-400目 | Sigma | 112926-00-8 | 用于分离组分池 |
| 预涂硅胶TLC板 | Sigma | 99571 | 用于分离组分池 |
| 茴香醛 | Sigma | A88107 | 用于分离组分池 |
| Sephadex LH-20 | GE Healthcare | 17-0090-01 | 用于分离组分池 |
| Amberlite XAD 7 HP 树脂 | Sigma | XAD7HP | 用于条件化水的提取 |
| 4根容量为2.5L的玻璃柱 | Ace Glass Inc. | 5820 | 用于条件化水的提取 |
| 丙酮 | Sigma | 650501 | 用于条件化水的提取 |
| TQ-S TOF LC质谱仪(或同等设备) | Waters Co. | N/A | 用于结构鉴定 |
| 二元HPLC泵 | Waters Co. | 1525 | 用于分离组分池/化合物 |
| Agilent 900MHz NMR波谱仪(或同等设备) | Agilent | N/A | 用于结构鉴定 |
| 旋转蒸发干燥系统 | Buchi | RII | 用于条件化水的提取 |
| 紫外灯(254 nm) | Spectronics Co. | ENF-240C | 用于薄层色谱 |
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