Het zenuwstelsel is complex en vereist een netwerk van neuronen om signalen door een organisme te verzenden. Het zenuwstelsel coördineert sensorische informatie en biologische respons. De ingewikkelde en ingewikkelde interacties die betrokken zijn bij signaaloverdracht vereisen veel verschillende signaalmoleculen zoals neurotransmitters, steroïden en neuropeptiden. Omdat neuropeptiden de meest diverse en krachtige signaalmoleculen zijn die een sleutelrol spelen bij het activeren van fysiologische reacties op stress en andere stimuli, is het van belang om hun specifieke rol in deze fysiologische processen te bepalen. Neuropeptidefunctie is gerelateerd aan hun aminozuurstructuur, die mobiliteit, receptorinteractie en affiniteit bepaalt1. Technieken zoals histochemie, wat belangrijk is omdat neuropeptiden kunnen worden gesynthetiseerd, opgeslagen en vrijgegeven in verschillende regio's van het weefsel, en elektrofysiologie zijn gebruikt om neuropeptidestructuur en -functie 2,3,4 te onderzoeken, maar deze methoden worden beperkt door doorvoer en specificiteit om de enorme sequentiediversiteit van neuropeptiden op te lossen.
Massaspectrometrie (MS) maakt de high throughput analyse van neuropeptide structuur en abundantie mogelijk. Dit kan worden uitgevoerd door middel van verschillende MS-technieken, meestal vloeistofchromatografie-elektrospray-ionisatie MS (LC-ESI-MS)5 en matrix-geassisteerde laserdesorptie / ionisatie MS (MALDI-MS)6. Met behulp van zeer nauwkeurige massametingen en MS-fragmentatie biedt MS de mogelijkheid om aminozuursequentie en posttranslationele modificatie (PTM) status toe te wijzen aan neuropeptiden uit complexe mengsels zonder a priori kennis om te helpen bij het vaststellen van hun functie 7,8. Naast kwalitatieve informatie maakt MS kwantitatieve informatie van neuropeptiden mogelijk door middel van labelvrije kwantificering (LFQ) of labelgebaseerde methoden zoals isotopische of isobare etikettering9. De belangrijkste voordelen van LFQ zijn de eenvoud, lage analysekosten en verminderde monstervoorbereidingsstappen die monsterverlies kunnen minimaliseren. De nadelen van LFQ omvatten echter hogere instrumenttijdkosten, omdat het meerdere technische replicaties vereist om kwantitatieve fouten van run-to-run variabiliteit aan te pakken. Dit leidt ook tot een verminderd vermogen om kleine variaties nauwkeurig te kwantificeren. Labelgebaseerde methoden worden onderworpen aan minder systematische variatie omdat meerdere monsters differentieel kunnen worden gelabeld met behulp van een verscheidenheid aan stabiele isotopen, gecombineerd in één monster en tegelijkertijd geanalyseerd door massaspectrometrie. Dit verhoogt ook de doorvoer, hoewel isotopische etiketten tijdrovend en kostbaar kunnen zijn om te synthetiseren of te kopen. De spectrale complexiteit van full scan mass spectra (MS1) neemt ook toe naarmate multiplexing toeneemt, waardoor het aantal unieke neuropeptiden dat kan worden gefragmenteerd en daarom kan worden geïdentificeerd, afneemt. Omgekeerd verhoogt isobare etikettering de spectrale complexiteit op MS1-niveau niet, hoewel het uitdagingen introduceert voor analyten met een lage abundantie, zoals neuropeptiden. Aangezien isobare kwantificering wordt uitgevoerd op het niveau van fragmentionenmassaspectra (MS2), kunnen neuropeptiden met een lage abundantie mogelijk niet worden gekwantificeerd omdat meer overvloedige matrixcomponenten kunnen worden geselecteerd voor fragmentatie en de geselecteerde mogelijk niet hoog genoeg abundantie hebben om te worden gekwantificeerd. Met isotopische etikettering kan kwantificering worden uitgevoerd op elk geïdentificeerd peptide.
Naast identificatie en kwantificering kan lokalisatie-informatie door MS worden verkregen via MALDI-MS imaging (MALDI-MSI)10. Door een laser over een monsteroppervlak te rasteren, kunnen MS-spectra worden gecompileerd tot een heatmapbeeld voor elke m/z-waarde . Het in kaart brengen van de intensiteit van het transiënte neuropeptidesignaal in verschillende regio's in verschillende omstandigheden kan waardevolle informatie opleveren voor functiebepaling11. Lokalisatie van neuropeptiden is vooral belangrijk omdat de neuropeptidefunctie kan verschillen afhankelijk van locatie12.
Neuropeptiden worden in vivo in een lagere abundantie aangetroffen dan andere signaalmoleculen, zoals neurotransmitters, en vereisen dus gevoelige methoden voor detectie13. Dit kan worden bereikt door het verwijderen van matrixcomponenten met een hogere abundantie, zoals lipiden11,14. Aanvullende overwegingen voor de analyse van neuropeptiden moeten worden gemaakt in vergelijking met gewone proteomics-workflows, vooral omdat de meeste neuropeptidomische analyses enzymatische spijsvertering weglaten. Dit beperkt software-opties voor neuropeptidegegevensanalyse, omdat de meeste zijn gebouwd met algoritmen op basis van proteomics-gegevens en eiwitmatches op basis van peptidedetectie. Veel software zoals PEAKS15 is echter meer geschikt voor neuropeptide-analyse vanwege hun de novo sequencing-mogelijkheden. Verschillende factoren moeten worden overwogen voor de analyse van neuropeptiden, beginnend bij extractiemethode tot MS-gegevensanalyse.
De hier beschreven protocollen omvatten methoden voor monstervoorbereiding en dimethylisotopische etikettering, gegevensverzameling en gegevensanalyse van neuropeptiden door LC-ESI-MS, MALDI-MS en MALDI-MSI. Door middel van representatieve resultaten van verschillende experimenten wordt het nut en het vermogen van deze methoden om neuropeptiden van blauwe krabben, Callinectes sapidus, te identificeren, kwantificeren en lokaliseren, aangetoond. Om het zenuwstelsel beter te begrijpen, worden vaak modelsystemen gebruikt. Veel organismen hebben geen volledig gesequenced genoom beschikbaar, wat uitgebreide neuropeptide-ontdekking op peptideniveau voorkomt. Om deze uitdaging te verminderen, is een protocol opgenomen voor het identificeren van nieuwe neuropeptiden en transcriptoommining om databases voor organismen te genereren zonder volledige genoominformatie. Alle protocollen die hier worden gepresenteerd, kunnen worden geoptimaliseerd voor neuropeptidemonsters van elke soort, evenals worden toegepast voor de analyse van endogene peptiden.