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Wasserlösliche Metaboliten sind niedermolekulare Zwischenprodukte und Stoffwechselprodukte, die zu essentiellen zellulären Prozessen beitragen. Diese evolutionär konservierten Prozesse umfassen die Umwandlung von Nährstoffen in nutzbare Energie, die Synthese von Makromolekülen, Zellwachstum und -signalisierung, Zellzykluskontrolle, Regulierung der Genexpression, Stressreaktion, postkonlationale Regulierung des Stoffwechsels, Aufrechterhaltung der mitochondrialen Funktionalität, vesikulärer Zelltransport, Autophagie, Zellalterung und regulierter Zelltod1,2,3.
Viele dieser wesentlichen Rollen wasserlöslicher Metaboliten wurden durch Studien in der Knospenhefe S. cerevisiae1, 3,4,7,9,14,15 , 16,17,18,19,20,21,22entdeckt. Dieser einzellige Eukaryot ist ein nützlicher Modellorganismus zur Sezierung von Mechanismen, durch die wasserlösliche Metaboliten aufgrund seiner Zugänglichkeit zu fortgeschrittenen biochemischen, genetischen und molekularbiologischen Analysen zu zellulären Prozessen beitragen23,24,25,26. Obwohl die LC-MS/MS-Methoden der nicht-zielgerichteten Metabolomik zur Untersuchung der Rolle wasserlöslicher Metaboliten in knospenden Hefen3,18,22,27verwendetwurden,erfordert diese Art der Analyse die Verbesserung ihrer Vielseitigkeit, Robustheit, Empfindlichkeit und Fähigkeit, zwischen verschiedenen strukturellen Isomeren und stereoisomeren Formen dieser Metaboliten zu unterscheiden.
Die letzten Jahre sind geprägt von signifikanten Fortschritten bei der Anwendung der LC-MS/MS-Methoden der nicht-zielgerichteten Metabolomik auf die Profilierung wasserlöslicher Metaboliten in vivo. Viele Herausforderungen bei der Verwendung dieser Methodik bleiben jedoch2,28,29,30,31,32,33,34,35,36. Zu diesen Herausforderungen gehören die folgenden. Erstens liegen die intrazellulären Konzentrationen vieler wasserlöslicher Metaboliten unter einer Empfindlichkeitsschwelle für die derzeit verwendeten Methoden. Zweitens ist die Effizienz des Abschreckens der Stoffwechselaktivität zu gering und das Ausmaß der abschreckenden Zellleckage von intrazellulären Metaboliten ist für aktuelle Methoden zu hoch; Daher unterschätzen die derzeit verwendeten Methoden die intrazellulären Konzentrationen wasserlöslicher Metaboliten. Drittens können die bestehenden Methoden die strukturellen Isomere (d. h. Moleküle mit der gleichen chemischen Formel, aber unterschiedlicher atomarer Konnektivität) oder Stereoisomere (d. h. Moleküle mit der gleichen chemischen Formel und atomaren Konnektivität, aber mit der unterschiedlichen atomaren Anordnung im Raum) spezifischer Metaboliten nicht unterscheiden; Dies verhindert die korrekte Annotation bestimmter Metaboliten durch die derzeit verwendeten Methoden. Viertens sind die vorhandenen massenspektralen Online-Datenbanken von Elternionen (MS1) und Sekundärionen (MS2) unvollständig; dies wirkt sich auf die korrekte Identifizierung und Quantifizierung spezifischer Metaboliten unter Verwendung der lc-MS/MS-Rohdaten aus, die mit Hilfe der aktuellen Methoden erzeugt wurden. Fünftens können die bestehenden Methoden keine einzige Art der Metabolitenextraktion verwenden, um alle oder die meisten Klassen von wasserlöslichen Metaboliten wiederherzustellen. Sechstens können die bestehenden Methoden nicht einen einzigen Typ der LC-Säule verwenden, um alle oder die meisten Klassen wasserlöslicher Metaboliten voneinander zu trennen.
Hier optimierten wir die Bedingungen für das Abschrecken der Stoffwechselaktivität in S. cerevisiae-Zellen, die Aufrechterhaltung der meisten wasserlöslichen Metaboliten in diesen Zellen vor der Extraktion und die Extraktion der meisten Klassen wasserlöslicher Metaboliten aus Hefezellen. Wir haben eine vielseitige, robuste und empfindliche Methode zur LC-MS/MS-basierten Identifizierung und Quantifizierung von mehr als 370 wasserlöslichen Metaboliten aus S. cerevisiae-Zellen entwickelt. Diese Methode der nicht zielgerichteten Metabolomik ermöglicht es, die intrazellulären Konzentrationen verschiedener Energieträgermoleküle, Nukleotide, Aminosäuren, Monosaccharide, Zwischenprodukte der Glykolyse und Tricarbonsäurezyklus-Zwischenprodukte zu beurteilen. Die entwickelte LC-MS/MS-Methode ermöglicht die Identifizierung und Quantifizierung verschiedener Strukturisomere und stereoisomerer Formen wasserlöslicher Metaboliten mit vielfältigen strukturellen, physikalischen und chemischen Eigenschaften.