Układ nerwowy jest złożony i wymaga sieci neuronów do przekazywania sygnałów w całym organizmie. Układ nerwowy koordynuje informacje sensoryczne i reakcję biologiczną. Skomplikowane i zawiłe interakcje związane z transmisją sygnału wymagają wielu różnych cząsteczek sygnałowych, takich jak neuroprzekaźniki, steroidy i neuropeptydy. Ponieważ neuropeptydy są najbardziej zróżnicowanymi i najsilniejszymi cząsteczkami sygnałowymi, które odgrywają kluczową rolę w aktywacji reakcji fizjologicznych na stres i inne bodźce, interesujące jest określenie ich specyficznej roli w tych procesach fizjologicznych. Funkcja neuropeptydów jest związana z ich strukturą aminokwasową, która determinuje ruchliwość, interakcję z receptorem i powinowactwo1. Techniki takie jak histochemia, która jest ważna, ponieważ neuropeptydy mogą być syntetyzowane, przechowywane i uwalniane w różnych regionach tkanki, oraz elektrofizjologia zostały wykorzystane do zbadania struktury i funkcji neuropeptydu2,3,4, ale te metody są ograniczone przepustowością i swoistością, aby rozwiązać ogromną różnorodność sekwencji neuropeptydów.
Spektrometria mas (MS) umożliwia wysokoprzepustową analizę struktury i obfitości neuropeptydów. Można to przeprowadzić za pomocą różnych technik MS, najczęściej chromatografii cieczowej z jonizacją elektrorozpylającą MS (LC-ESI-MS)5 i matrycowo wspomaganej desorpcji/jonizacji laserowej MS (MALDI-MS)6. Wykorzystując wysoką dokładność pomiarów masy i fragmentację MS, MS zapewnia możliwość przypisywania sekwencji aminokwasów i statusu modyfikacji potranslacyjnej (PTM) neuropeptydom ze złożonych mieszanin bez wiedzy a priori, aby pomóc w ustaleniu ich funkcji7,8. Oprócz informacji jakościowych, MS umożliwia ilościowe informacje o neuropeptydach za pomocą bezznacznikowej kwantyfikacji (LFQ) lub metod opartych na znacznikach, takich jak znakowanie izotopowe lub izobaryczne9. Główne zalety LFQ to jego prostota, niski koszt analizy i zmniejszone etapy przygotowania próbki, co może zminimalizować straty próbki. Do wad LFQ należy jednak zwiększenie kosztów czasu pracy urządzenia, ponieważ wymaga on wielu powtórzeń technicznych w celu wyeliminowania błędu ilościowego wynikającego ze zmienności między seriami. Prowadzi to również do zmniejszenia zdolności do dokładnego ilościowego określania małych zmian. Metody oparte na znakach podlegają mniej systematycznym zmianom, ponieważ wiele próbek może być znakowanych różnicowo przy użyciu różnych stabilnych izotopów, łączonych w jedną próbkę i jednocześnie analizowanych za pomocą spektrometrii mas. Zwiększa to również przepustowość, chociaż synteza lub zakup etykiet izotopowych może być czasochłonny i kosztowny. Złożoność spektralna widm masowych pełnego skanowania (MS1) również wzrasta wraz ze wzrostem multipleksowania, co zmniejsza liczbę unikalnych neuropeptydów, które można fragmentować, a tym samym identyfikować. I odwrotnie, znakowanie izobaryczne nie zwiększa złożoności spektralnej na poziomie MS1, chociaż wprowadza wyzwania dla analitów o niskiej obfitości, takich jak neuropeptydy. Ponieważ ilościowe oznaczanie izobaryczne przeprowadza się na poziomie widm masowych jonów fragmentacyjnych (MS2), neuropeptydy o niskiej liczebności mogą nie być możliwe do ilościowego określenia, ponieważ do fragmentacji można wybrać bardziej obfite składniki matrycy, a te wybrane mogą nie mieć wystarczająco wysokiej obfitości, aby można je było określić ilościowo. Dzięki znakowaniu izotopowemu można przeprowadzić ocenę ilościową każdego zidentyfikowanego peptydu.
Oprócz identyfikacji i kwantyfikacji, informacje o lokalizacji mogą być uzyskane przez MS za pomocą obrazowania MALDI-MS (MALDI-MSI)10. Poprzez rasterowanie laserem na powierzchni próbki, widma MS można skompilować w obraz mapy cieplnej dla każdej wartości m/z. Mapowanie intensywności sygnału przejściowego neuropeptydu w różnych regionach w różnych warunkach może dostarczyć cennych informacji do określenia funkcji11. Lokalizacja neuropeptydów jest szczególnie ważna, ponieważ funkcja neuropeptydu może się różnić w zależności od lokalizacji12.
Neuropeptydy występują w mniejszej obfitości in vivo niż inne cząsteczki sygnałowe, takie jak neuroprzekaźniki, i dlatego wymagają czułych metod wykrywania13. Można to osiągnąć poprzez usunięcie składników macierzy o wyższej obfitości, takich jak lipids11,14. W porównaniu z powszechnymi procesami pracy w proteomice należy wziąć pod uwagę dodatkowe względy dotyczące analizy neuropeptydów, głównie dlatego, że większość analiz neuropeptydomicznych pomija trawienie enzymatyczne. Ogranicza to możliwości oprogramowania do analizy danych neuropeptydowych, ponieważ większość z nich została zbudowana przy użyciu algorytmów opartych na danych proteomicznych i dopasowaniach białek opartych na wykrywaniu peptydów. Jednak wiele programów, takich jak PEAKS15, jest bardziej odpowiednich do analizy neuropeptydów ze względu na ich możliwości sekwencjonowania de novo. Przy analizie neuropeptydów należy wziąć pod uwagę kilka czynników, począwszy od metody ekstrakcji, a skończywszy na analizie danych MS.
Opisane tutaj protokoły obejmują metody przygotowania próbek i znakowania izotopów dimetylu, pozyskiwania danych i analizy danych neuropeptydów przez LC-ESI-MS, MALDI-MS i MALDI-MSI. Dzięki reprezentatywnym wynikom kilku eksperymentów wykazano użyteczność i zdolność tych metod do identyfikacji, kwantyfikacji i lokalizacji neuropeptydów z niebieskich krabów, Callinectes sapidus. Aby lepiej zrozumieć układ nerwowy, powszechnie stosuje się systemy modelowe. Wiele organizmów nie ma dostępnego w pełni zsekwencjonowanego genomu, co uniemożliwia kompleksowe odkrycie neuropeptydów na poziomie peptydów. Aby złagodzić to wyzwanie, dołączono protokół identyfikacji nowych neuropeptydów i eksploracji transkryptomu w celu wygenerowania baz danych dla organizmów bez pełnych informacji o genomie. Wszystkie przedstawione tutaj protokoły mogą być zoptymalizowane pod kątem próbek neuropeptydów od dowolnego gatunku, a także stosowane do analizy dowolnych endogennych peptydów.