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提出了使用一个样品从生物组织中综合提取脂质,代谢物和蛋白质的方案。
了解复杂的生物系统需要测量,分析和整合活细胞的多种化合物类型,通常通过转录组学,蛋白质组学,代谢组学和脂质组学测量来确定。在本协议中,我们引入了一种简单的方法,可以使用每个样品的单一等分试样从生物组织中重现性提取代谢物,脂质和蛋白质。提取方法基于甲基叔丁基醚:甲醇:液体系统:将疏水和极性代谢物液体分配成两个不混溶相,同时沉淀蛋白质和其他大分子作为固体颗粒。因此,该方法提供了特定分子组成的三个不同部分,其与常见的高通量"omics"技术完全相容,例如与质谱联用的液相色谱(LC)或气相色谱(GC)。即使该方法是init被开发用于不同植物组织样品的分析,已被证明完全兼容于从藻类,昆虫,哺乳动物组织和细胞培养物等系统中提取和分析生物样品。
系统生物学在上个世纪中期出现1 ,并通过基因组和转录组数据集2,3的大规模分析推进,已经发展成为复杂生物系统分析的新的和不可或缺的方法4,5 。系统生物学的主要目标是破译生物系统中的组分相互作用和依赖关系,并桥接基因型,其实现,分子转化和所得表型之间的联系。因此,通过各种大规模分析方法,即基因组学,转录组学,代谢组学,脂质组学和蛋白质组学及其计算分析所产生的综合数据集的整合已经成为对复杂生物系统的描述和理解的先决条件。
巴斯关于任何生活系统中生物成分的巨大化学多样性和复杂性,大量和全面的"omics"数据集的生产强烈依赖于应用提取方法的质量9 。除了提取方法的质量外,该方法的经济性也很重要;这意味着希望从尽可能少的样品输入获得尽可能多的分子信息。通常,样品量可以是限制性的,因此非常希望使用提取方法,其可以从给定样品的单次提取中获得尽可能多的分子等级。这意味着,不是使用几种专门的提取方法从相同样品的不同样品等分试样中提取不同的化合物类别,而是采用顺序提取方法,将单个等分试样的分子成分分解成不同的分子级分。
_content">这些分级提取方法采用的常用方法是基于Folch 等在1957年开发的两相脂质提取方法10 ,该方法基于氯仿:甲醇/水分配极性和疏水性代谢物,并且是随着多系统生物学的发展,Folch方法进一步逐步改进,通过利用它对蛋白质和极性代谢物和脂质的样品分配进行改进,基于气相色谱和液相色谱的代谢组学和极性和疏水性化合物的脂质组学,除了基于液相色谱的蛋白质组学11,12,13,14之外,遗憾的是,所有这些方法都依赖于基于氯仿的提取方法,导致不希望的fo蛋白质沉淀物作为极性和脂质相之间的界面,但是从绿色化学的角度来看也是不期望的溶剂15,16 。然而,溶剂甲基叔丁基醚(MTBE)克服了上述两个问题,并且是氯仿的合适替代物。根据这些要求,我们决定建立一个MTBE:甲醇:水基萃取方法,满足上述所有规范,从而成为综合多元分析的理想起点。该协议引导用户逐步通过样品制备的简单,快速和可重复的工作流程,包括常见观察问题的故障排除。此外,我们将简要介绍超高效液相色谱 - 质谱(UPLC-MS)-bas的典型分析数据来自植物组织样品的脂质组学,代谢组学和蛋白质组学分析。即使给出的实施例来源于50mg的拟南芥叶组织样品,该方案已被用于几种其他生物样品和组织,包括藻类17,18 ,昆虫19和哺乳动物细胞,器官和组织20,21 , 22 。提出的提取方案的范围是提供对提取前样品处理和提取程序本身的清楚和详细的描述。尽管我们提供了三个分析应用的简要示例,但是有关分析前和分析后数据处理的详细信息可以从我们以前的出版物16,23,24 , 25,26。
注意:萃取过程中使用的甲醇(MeOH)和甲基叔丁基醚(MTBE)是易燃的,并且可能会长期暴露于和/或接触呼吸道,眼睛或皮肤刺激。请仔细处理,只能在通风橱中,并在提取过程中使用适当的安全程序(实验室外套,安全眼镜,手套等 )。在本方案的几个步骤中使用的液氮和干冰可能会由于长时间的皮肤接触而引起严重烧伤。请戴上防护手套和眼镜仔细处理。用户可以使用不同的化学品,试剂或内部标准进行样品分析,其中一些可能是有毒的。请检查所有材料的相关化学品安全数据表。
1.收集和收获生物样品
研磨和组织破坏
3.称重组织
4.试剂设置
5.样品提取
6.分相分相
7.分离极地和疏水部分
8.分数的浓缩和储存
9.使用UPLC-MS分析脂质24
使用UPLC-MS分析极性和半极性代谢物25 。
蛋白质提取,消化和分析16
综合多学科数据集对于了解复杂的生物系统是非常宝贵的。成功的生物实验的策略通常从有意义的实验设计,实验设置和性能开始,然后进行采样,提取,分析数据采集,原始数据处理,统计数据分析,相关代谢物鉴定和生物数据解释包括路径映射和可视化( 图1 )。
在这里介绍的提取协议中,我们专注于样本收集,处理和提取步骤,它们在图2的详细工作流程概述中描述。为了演示目的,选择了50毫克拟南芥叶组织。收获该物质,研磨并萃取,然后再进行三次示例性的分析型UPLC-MS平台,提供可用于靶向和非靶向脂质体,代谢组和蛋白质组学分析的数据。 图2和图6还包括在标准条件下萃取溶剂应如何的代表性图片。另外,显示了含有过量沉淀的大分子(蛋白质和淀粉)和不适当样品均质的样品的样品的实例( 图3 )。对于这两个常见问题的故障排除在图3中给出,但在以前的出版物16中也将对其进行更详细的讨论。
图4和图5概述了从脂质衍生的三种分析色谱图 ,极性/半数i极性代谢物和蛋白质分析。通过与高分辨率质谱联用的反相(RP)C 8超高效液相色谱法分析从上MTBE阶段( 图2 )取得的脂质。可以使用正和负的MS电离模式( 图4 ,上部窗格)16,24获得脂质。
通过反相(RP)C 18 UPLC-MS 25从极性(水/甲醇)相( 图2 )分析极性和半极性的初级和次级代谢物。所示的方法,使用反相色谱,与半极性代谢物(即植物次生代谢物的代谢物)的分析高度相容,可以使用MS和MS中的正离子和负离子模式进行分析( 图4 ,下窗格) 16 。可以通过其他分析方法如GC-MS 16或亲水相互作用液相色谱法30分析来自该级分(糖,极性氨基酸等)的更亲水的代谢物,其在反相材料上不显示良好的保留性。
从提取管底部的固体颗粒中回收的蛋白质( 图2 )使用喷枪LC-MS溶解消化并分析( 图5 ),而提取淀粉和细胞壁的方案材料可以从我们以前发布的协议16获得 。
总之,超过200种脂类,50种注射半极性代谢物和数千种蛋白质可以从我们示例中使用的类型的样本中常规地识别ns。此外,该方法显示了使用不同组织,器官和细胞培养材料的广泛适用性( 图6 )。
图1: 大规模未定向Omics分析的一般工作流程。 请点击此处查看此图的较大版本。
图2 :从生物样品的单等分试样分析脂质,代谢物和蛋白质的样品制备和提取工作流程。请点击此处查看此图的较大版本。
图3 :使用两相分离提取方案的常见问题的说明性实例。 请点击此处查看此图的较大版本。
图4 :来自 拟南芥 叶提取物 的脂质和半极性代谢 物的 代表性色谱 图。基峰色谱图以正电离模式16分析脂质(上层)和半极性代谢物(下层)。每个色谱图右上角的饼图显示分配给不同化学类别的鉴定脂质和代谢物的数量。叶绿素DAG,二酰基甘油酯; DGDG,半乳糖基二酰基甘油; FA,脂肪酸;溶血磷脂酰胆碱; MGDG,单半乳糖基二酰基甘油; PC,磷脂酰胆碱; PE,磷脂酰乙醇胺; PG,磷脂酰甘油; PI,磷脂酰肌醇PS,磷脂酰丝氨酸; SP,鞘脂; SQDG,磺基奎诺糖基二酰基甘油; TAG,三酰基甘油酯。 请点击此处查看此图的较大版本。
图5 : 拟南芥 叶提取物的肽的代表性基峰峰色谱。
右上角的饼图显示了分配给不同生物过程的已鉴定蛋白质数量16 。 请点击此处查看此图的较大版本。
图6 :来自野生型 拟南芥 的各种组织类型的代表性提取实施例 。
从指定的组织中取出50mg新鲜重的样品。">请点击此处查看此图的较大版本。
时间(分钟) | %缓冲液A至缓冲液B | |
0至1分钟 | 45%A | 缓冲液A:在UPLC MS级水中1%1M NH 4 - 乙酸酯,0.1%乙酸 |
1〜4分钟 | 线性梯度从45%A到25%A | 缓冲液B:1%1M NH 4 - 乙酸酯,0.1%乙酸的乙腈/异丙醇7:3(v:v) |
4至12分钟 | 线性梯度从25%A到11%A | 流速400μL/ min |
12至15分钟 | 线性梯度从11%A到0%A | 注射量2μL |
15至19.5分钟 | 用0%A洗涤柱4.5分钟 | |
19.50至19.51分钟 | 回到45%A | |
19.51至24分钟 | 平衡45%A |
表1:RP-UPLC分离脂质的梯度参数。 RP,反相。 UPLC,超高效液相色谱。
时间(分钟) | %缓冲液A至缓冲液B | |
0至1分钟 | 99%A | 缓冲液A:在UPLC级水中0.1%甲酸 |
1至11分钟 | 线性梯度从99%A到60%A | 缓冲液B:UPLC梯度乙腈中0.1%甲酸 |
11至13分钟 | 线性梯度从60%A到30%A | 流量4001; L /分钟 |
13至15分钟 | 从30%A到1%A的线性梯度 | 注射量2μL |
15至16分钟 | 用1%A洗柱1分钟 | |
16至17分钟 | 线性梯度从1%A到99%A | |
17至20分钟 | 在99%A平衡3分钟 |
表2:RP-UPLC分离极性和半极性代谢物的梯度参数。 RP,反相。 UPLC,超高效液相色谱。
时间(分钟) | 缓冲液B的缓冲液A | |
0至5分钟 | 线性梯度从0到10% | 缓冲液A:在UPLC级水中0.1%甲酸 |
5至80分钟 | 线性梯度从10%到40% | 缓冲液B:在60%UPLC级乙腈中的0.1%甲酸 |
80至85分钟 | 线性梯度从40%到60% | 流速300 nL / min |
85至86分钟 | 线性梯度从60%到95% | 注射体积5μL |
86至91分钟 | 洗涤柱5分钟,95% | |
91至92分钟 | 线性梯度从95%到0% | |
93至110分钟 | 在0%平衡色谱柱17分钟 |
表3:肽的纳米LC分离的梯度参数。 LC,液相色谱。
在本文中,我们描述和说明了一个简单且高度适用的提取方案,用于从单个50 mg叶片样品进行综合脂质体,代谢组学和蛋白质组学分析。这种方法以前已经在几项研究中使用,已经在不同的文章17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,31,32,33,34,35,36,37并证明,除了它的直接工作流程和高适用性要坚固可重复。
这里提供的应用程序显示了复杂生物样品的初步筛选的一些常规方法。这些说明了大规模代谢组学和脂质组学数据集可以提供关于分析的生物系统的代谢的广泛或具体变化的综合信息,而从蛋白质分析获得的数据提供了对定量(丰度)和定性(修饰)酶,结构蛋白或转录因子(TF)的变化,控制细胞功能和机械。因此,通过阐明与特定代谢途径或细胞过程相关的不同分子的分子变化,整合的omics数据具有揭示关于生物系统的遗传或生物和/或非生物扰动诱发的可能变化的初始信息的潜力。
当然从长远来看,对于成功的系统生物学分析来说,最大限度地分析和注释分子实体的数量是非常重要的,从而尽可能完全监测细胞功能和活动。为此,所得到的级分可以额外应用于多种分析方法,靶向其他化合物或化合物类别( 图4 )。
说到这一点,必须提到的是,获取的数据的全球分析策略可以遵循两种不同的策略:一方面,我们一直在强调通过定量已知化合物来阐明细胞功能。另一方面,许多测量的代谢物和脂质尚未知晓或注释。这些尚未注释的复合测量还包含大量有意义的信息,可以通过统计学方法用于分类或鉴别b治疗组或治疗20,21,22 。
然而,这些未知化合物,特别是与组分类有关或用作生物标志物的化合物需要被鉴定。这种识别过程不幸很繁琐,如果没有额外的分析测量或策略,则无法实现。从图4可以看出,未注释化合物的数量相当高(实际上绝大多数)。然而,如上所述,这些色谱峰可以在数据分析中处理,因此显着影响的实体可以被阐明并进行进一步的识别策略。
总之,我们可以得出结论,这里介绍的协议为实验系统生物学和经典统计学应用提供了几个优点ations。
首先,由于从单个样品中提取所有级分,所以不同实验数据集(脂质,代谢物,蛋白质)之间的变化显着减少,因为每个数据集都是从相同的样品等分试样得到的。这显然导致获得的结果的可比性增加。
第二,该方法易于扩展,因此与小到大的样品量高度兼容。我们常规使用10-100毫克的组织样本,但是也可以在20个拟南芥种子上进行成功的脂质学研究31 。特别是与小样品量的相容性使得该方法适用于有限量的生物组织或样品。然而,即使有足够的样品材料可用,这里提出的方法提供了利用这些样品在更大数量的实验重复而不是u的优点为不同的提取程序唱歌。这允许更好和精细化的统计数据分析。
第三,由于该方法基于极性和非极性分子的液 - 液分馏,因此与简单的单相萃取方法( 例如甲醇萃取)相反,该方法在该方法中显着的去络合步骤。这种有效的样品去络合导致由于化学干扰分子彼此分离而导致单个级分的部分纯化。因此,化学分配过程不仅提供了将提取的样品系统地等分为不同化学分类的实际优点,而且改进了各自的分析测量,因为它从不同级分中除去污染化合物。显然,我们可以观察到,特别是脂质被分配到有机相,通常是负面影响的极性化合物的色谱分析将几乎完全不含极性部分。对于分解极性化合物的疏水性脂质也是如此。除了极性和非极性化合物的净化之外,我们从样品中消耗和收集蛋白质和其他大分子,这不仅提供了单独的级分,可用于蛋白质,淀粉和细胞壁分析16 ,而且导致各个部分内的清洁剂样品。这是特别相关的,因为已知大分子的存在导致分析柱的损伤或寿命至少更短。
最后但并非最不重要的一点,MTBE萃取方法依赖于较少危险性和更有利的氯仿置换溶剂15 ,已被我们的几项研究表明,被广泛应用来自植物16 ,藻类17,18 ,苍蝇19的不同生物样品的融合性,还包括几种哺乳动物组织,器官或细胞20,21,22 。
作者没有什么可以披露的
MS获得GERLS-DAAD计划的完整博士学位奖学金。我们要感谢Andrew Wiszniewski博士对手稿的阅读和评论。我们非常感谢德国戈尔姆马克斯普朗克分子植物生理学研究所的Giavalisco实验室的所有成员的帮助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Reagents and standards | |||
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9393-5G | Internal standard for metabolites |
Corticosterone | Sigma Aldrich | 27840-500MG | Internal standard for metabolites, HPLC grade |
13C Sorbitol | Sigma Aldrich | 605514 | Internal standard for metabolites, ISOTEC® Stable Isotopes |
1,2-diheptadecanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (17:0 PC) | Avanti Polar Lipids | 850360P | Internal standard for lipids |
Methanol (MeOH) | Biosolve Chemicals | 13684102 | ULC-MS grade |
Water | Biosolve Chemicals | 23214102 | ULC-MS grade |
Methyl tert-butyl ether (MTBE) | Biosolve Chemicals | 13890602 | HPLC grade |
Trypsin/Lys-C mix | Promega | V5072 | Enzymatic digestion of proteins |
Equipment | |||
Balance | Sartorius Corporation | 14 557 572 | |
Tissue grinding mixer mill | Retsch, Mixer Mill MM 300 | 20.746.0001 | |
Mortar and pestle | Sigma Aldrich | Z247464-1EA | |
Vortex mixer | Vortex-Genie 2, Model G560 | SI-0236 | |
Vacuum concentrator | Scan Speed Maxi Vac Alpha Evaporators | 7.008.500.002 | |
2 mL Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120094 | Used for sample extarction |
1.5 mL Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120086 | Used for fractions |
Shaker | Eppendorf Thermomixer 5436 | 2050-100-05 | |
Sonicator | USC 300 TH | 142-0084 | |
Refrigerated microcentrifuge | Eppendorf, model 5427R | 22620701 | |
UPLC system | Waters Acquity UPLC system (Waters, Machester, UK) | ||
MS system | Exactive, Orbitrap-type, MS (Exactive, Thermo-Fisher, Bremen, Germany). | ||
Reversed Phase (RP) Bridged Ethyl Hybrid (BEH) C8 column (100 mm × 2.1 mm containing 1.7 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186002878 | Analysis of lipids |
RP High Strength Silica (HSS) T3 column (100 mm × 2.1 mm containing 1.8 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186003539 | Analysis of metabolites |
Q ExactivePlus high resolution mass spectrometer connected to an EASY-nLC 1000 system | Thermo-Fisher, Bremen, Germany | Analysis of peptides |
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