Method Article
Un metodo specifico e sensibile al fine di conoscere il profilo di espressione di antigeni glicosfingolipidi in organi e cellule immunitarie è descritto. Il metodo sfrutta la spettrometria di massa a trappola ionica consentendo graduale frammentazione delle molecole glicosfingolipidi per l'analisi strutturale rispetto agli standard sintetizzati chimicamente.
Glicosfingolipidi (GSL) appartengono alla classe di glicoconiugato biomacromolecole, che portano le informazioni strutturali di importanti processi biologici quali lo sviluppo embrionale, la trasduzione del segnale, e il riconoscimento del recettore immunitario 1-2. Essi contengono frazioni di zucchero complessi in forma di isomeri e frazioni di lipidi con variazioni comprese lunghezza grassi a catena acilica, insaturazione, e idrossilazione. Entrambe le porzioni di carboidrati e ceramide possono essere base di significato biologico. Per esempio, tri-hexosylceramides includono globotriaosilceramide (Galα4Galβ4Glcβ1Cer) e isoglobotriaosylceramide (Galα3Galβ4Glcβ1Cer), che hanno masse molecolari identiche ma collegamenti zucchero distinti di parte di carboidrato, responsabile delle funzioni biologiche completamente diverse 3-4. In un altro esempio, è stato dimostrato che la modifica della parte ceramide di alfa-galactosylceramide, un ligando potente agonista per invariformica cellule NKT, cambi i loro profili di secrezione di citochine e la funzione in modelli animali di cancro e malattie autoimmuni 5. La difficoltà di eseguire una analisi strutturale di isomeri in organi e cellule immunitarie fungere da barriera per determinare molte funzioni biologiche 6.
Qui, presentiamo una versione visualizzata di un metodo per l'analisi relativamente semplice, rapido e sensibile di profili glicosfingolipidi nelle cellule immunitarie 7-9. Questo metodo si basa sulla modificazione estrazione e chimica (permethylation, vedi sotto figura 5A, tutti i gruppi OH di esosi sono stati sostituiti da MeO dopo reazione permethylation) di glicosfingolipidi 10-15, seguita da analisi successive utilizzando matrix-assisted laser desorbimento / ionizzazione time- di volo spettrometria di massa (MALDI-TOF/MS) e spettrometria di massa di ioni trappola. Questo metodo richiede 50 milioni di cellule immunitarie per un'analisi completa. Gli esperimenti possono essere completate entro una settimana. L'abbondanza relativa dei glicosfingolipidi varie possono essere delineati rispetto agli standard di sintesi. Questo metodo ha una sensibilità di misurazione 1% iGb3 tra Gb3 isomeri, quando due fmol del totale iGb3/Gb3 miscela è presente 9.
Spettrometria di massa a trappola ionica può essere utilizzato per analizzare isomeri. Ad esempio, per analizzare la presenza di globotriaosilceramide e isoglobtriaosylceramide nello stesso campione, si può usare la frammentazione di molecole strutturalmente glicosfingolipidi di discriminare tra i due (vedi sotto Figura 5). Inoltre, la modificazione chimica delle frazioni di zucchero (tramite una reazione permethylation) migliora la ionizzazione e l'efficienza di frammentazione di maggiore sensibilità e specificità, e aumenta la stabilità di residui di acido sialico. La modificazione chimica di estrazione e glicosfingolipidi può essere eseguita in un classico cappa chimica certificata, e la spettrometria di massa può essere eseguita da nucleoimpianti con trappola ionica strumenti MS.
1. Lab di sicurezza Preoccupazioni
2. Estrazione di glicosfingolipidi da cellule leucemiche Rat
La frazione acida contiene gangliosidi, che possono essere dializzati per la Fase 3 reazione direttamente.La frazione neutra contiene non solo glicosfingolipidi neutri, ma anche (fosfatidilcolina e sfingomielina), che devono essere rimossi da una reazione di acetilazione.
Nella nostra esperienza, il metodo di una cassetta di dialisi, è più efficiente e conveniente di un tubo di dialisi o fase inversa C18 cromatografia su colonna.
Eluizione dalla colonna Florisil è molto veloce. Volatilità rapida dei solventi può portare a essiccazione colonna. Pertanto tutte le miscele di solventi deve essere preparato prima di eseguire la colonna in quanto non è possibile fermare la colonna durante l'eluizione.
3. Modificazione chimica (Permethylation) di glicosfingolipidi 13
4. MALDI-TOF Analisi delle Gycosphingolipids Permethylated
5. Ion Trap Analisi MS di glicosfingolipidi Permethylated
Un esempio di analisi MALDI MS dei glicosfingolipidi di RBL leucemia linea di cellule di ratto (un tipo di cellula che presenta l'antigene che presenta antigeni glicosfingolipidi a cellule NKT) è mostrato in Figura 3. Gli ioni possono essere assegnati a specifiche strutture glicosfingolipidi (Figura 3A). Nelle cellule trattate con RBL NB-DGJ 16, un farmaco che inibisce la sintesi glicosfingolipidi, riduzione significativa di tutti glicosfingolipidi stato osservato (Figura 3B). Isomeri strutturali non possono essere distinte. La MS / MS capacità della Applied Biosystems 4700 permette la frammentazione di ioni MS1 a MS 2 frammenti, permettendo limitato informazioni strutturali da generare. Tuttavia, l'analisi MS2 spesso non è sufficiente a discriminare isomeri oligosaccaridi.
La trappola ionica analisi MS di glicosfingolipidi consente lo studio di isomeri, come iGb3 (Galα3Galβ4Glcβ1Cer) e Gb3 (Galα4Galβ4Glcβ1Cer) che possono esistere come gli ioni trihexosylceramide rilevati in Figura 3A. Per rilevare tali isomeri, standard e iGb3 Gb3 sono stati analizzati da vari cicli di frammentazione, finché sono state riscontrate differenze (Figure 4A e 4B). Nell'esempio qui presentato (Figura 5C) iGb3 e Gb3 potrebbe essere discriminati confrontando la norma iGb3 e Gb3.
Figura 1. Diagramma di flusso della procedura di estrazione glicosfingolipide e modificazione chimica di glicosfingolipidi (permethylation). Glicosfingolipidi sono stati estratti dalle cellule da solventi organici. Per rimuovere non glicosfingolipidi, lipidi può essere peracetylated e deacetilato. Secondo, glicosfingolipidi sono stati modificati chimicamente mediante una reazione permethylation, che migliora la sensibilità e la specificità di MS detection. Infine, i profili glicosfingolipidi sono stati determinati utilizzando MALDI-TOF e spettrometria di massa a trappola ionica.
Figura 2. Quantificazione glicosfingolipidi da orcinol Metodo Acido solforico: Quantificazione dei glicosfingolipidi con un 0,2% orcinol in soluzione al 50% di acido solforico e una curva standard di glucosio.
Figura 3. Glycosphingolipidomics di cellule leucemiche ratto A. rappresentativa spettro di massa MALDI;. Ogni ione rappresenta una struttura specifica glicosfingolipidi, isomeri strutturali non possono essere distinti B. NB-DGJ, un farmaco che inibisce la sintesi glicosfingolipidi, s.riduce ignificantly tutti i glicosfingolipidi prodotte in cellule RBL.
Figura 4. Tandem Mass Spectrometry di isomeri di glicosfingolipidi. Percorsi di decomposizione A. caratteristici per la spettrometria di massa di ioni positivi trappola modo di GSLs permethylated I 3 Cer e IGB 3 Cer. Gb 3 e IGB 3 sono nettamente separati dai loro modelli di frammentazione. Le differenze di linkage si riflettono nei 4 ioni prodotto MS coerenti con le isobariche m / z 445 precursori. B. Risultati rappresentativi mostrano iGB3 può essere misurata in una miscela di isomeri iGb3/Gb3. Stelle indicare ioni diagnostici per iGb3 solo. Clicca qui peringrandisci figura.
Figura 5. Ion trap MS permette l'analisi di isomeri di glicosfingolipidi. A. standard iGb3 e spettacolo differenza Gb3 del profilo frammentazione dopo 4 turni di frammentazione in uno spettrometro di massa a trappola ionica LTQ. B. Caratteristica MS 4 profilo di ioni derivati da iGb3 o Gb3. C. Trihexosyleramides sono miscele di iGb3 e Gb3 isomeri che possono essere identificati con trappola ionica MS metodo (Figura da Dapeng Zhou). Clicca qui per ingrandire la figura .
Il glycome, un termine coniato in analogia al genoma e del proteoma, si riferisce a tutte le strutture di un organismo saccaridi. Per comprendere pienamente le molteplici funzioni della glicosilazione richiederà un approccio integrato che comprende entrambi gli studi funzionali e strutturali glicomica. Entrambi sono complicate dal non-template natura driven di biosintesi glicano, la conseguente complessità e la diversità delle strutture glycan, frequente coinvolgimento di struttura aglicone nel modulare glycan interazioni ligando-recettore a livello molecolare, e l'importanza funzionale di ligandi poco abbondanti.
E 'generalmente accettato che la spettrometria di massa (MS) è un metodo indispensabile per studi strutturali glicomica, soprattutto per identificare e caratterizzare ligandi poco abbondanti. Per osservare glicani o glicoconiugati come specie molecolari, che spesso utilizza una ad alta efficienza, bassa energia di ionizzazione metodo, chiamato ionizzazione elettrospray (ESI). Per maggiori detaffliggesse caratterizzazione della struttura glicano, è essenziale selezionare singole specie molecolari e rompere i glicani in piccoli pezzi. Questo avviene normalmente in seguito a collisione indotta dissociazione, che prevede l'attivazione dei glicani di collisioni con le molecole di gas inerti. L'aumento di energia induce rottura legame, e l'analisi sistematica dei frammenti risultanti fornisce informazioni sulla struttura molecolare del glicano. Spesso, "firma" frammenti possono essere generati che sono diagnostici per particolari caratteristiche glycan strutturali. Insieme con la massa molecolare, questi frammenti possono talvolta essere sufficienti per identificare glicani, ma in passato molte più informazioni è stato richiesto per caratterizzare pienamente, in particolare se la struttura è nuova. Questi metodi comprendono analisi della composizione dello zucchero, l'analisi dei gas cromatografia spettrometria di massa parzialmente metilati acetati alditolo per analisi di linkage, e la digestione glicosidasi specifiche 17.
Come è stato dimostrato negli ultimi dieci anni 18-19, vari cicli di frammentazione bassa energia, che può essere svolta effettivamente in una trappola ionica spettrometro di massa (IT-MS), migliora notevolmente la resa informazioni dall'analisi spettrale di massa glicano . Con quattro o cinque giri di frammentazione (che non può essere fatto con altri strumenti MS), è possibile distinguere glicani isomeriche che contengono i componenti zucchero stessi disposti in legami zucchero differenti, anche quando questi sono presenti insieme in miscele di componenti con la stessa massa molecolare (isobare). Per questa analisi, i glicani erano derivatizzato, in sostituzione di tutti i gruppi ossidrilici liberi con gruppi metilici, usando permethylation. Mentre l'assegnazione strutturale dei glicani è possibile senza permethylation, il permethylation aumenta la sensibilità 17.
Levery e Zhou, hanno unito tutti i vantaggi potenziali di IT-MS metodologia, compresa l'individuazione delle isomerica structures utilizzando ioni firma diagnostici, osservabili solo in MS 4 e MS 5 spettri, per l'identificazione ad alta sensibilità e la quantificazione di glicosfingolipidi presenti in forma di miscele multiple isobariche 7-9. In teoria, si può essere in grado di identificare ogni struttura esistente glicolipidi, in attesa della disponibilità di glicolipidi standard, che possono essere sintetizzati chimicamente.
I passi fondamentali di questa analisi sono il tasso di recupero GSLs da campioni biologici. Tipicamente 80 pg di GSL può essere recuperato da 100 milioni di cellule tumorali come RBL. Per generare sufficienti ioni molecolari per vari cicli di frammentazione in trappola ionica spettrometri di massa, almeno 10 microgrammi di GSLs tumorali sono obbligatori. Bassa resa di GSLs durante la purificazione porterà a bassa abbondanza di ioni, che non possono essere sottoposti a un'ulteriore frammentazione. Il successo dell'analisi dipende dalla quantità di GSLs che vengono recuperati. In genere, finale concentration di GSLs permethylated dovrebbe raggiungere 1 mg / ml, disciolto in metanolo, prima di essere analizzato su un nano-elettrospray sorgente. Il limite per una approfondita analisi MS n dipende l'abbondanza di ione specifico in MS 1 profilo. Un tipico e 7 abbondanza di ioni è richiesto per una approfondita analisi MS 5. La bassa resa di GSLs durante la purificazione può essere causata dalla perdita di GSLs durante la fase peracetylation (che rimuove i fosfolipidi), quando le per-acetilati GSLs deve essere associato a cromatografia su colonna di resina Florisil, lavato, e successivamente eluito. Per garantire il legame di per-acetilati GSLs al gel di silice, i campioni dovrebbero essere ricaricato due volte alla colonna di cromatografia dopo scorre attraverso.
DZ è un consulente per BioTex, Houston, TX, e un inventore coinvolti in brevetti relativi alle tecnologie di cui al presente articolo, rilasciati o in applicazione.
DZ è supportato dal MD Anderson Cancer Center e sovvenzioni NIH AI079232. MD Anderson Cancer Center è supportato in parte dal NIH sovvenzione CA16672.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1,2 Dichlor–thane | Sigma-Aldrich | 34872 | Carcinogenic |
Acetic acid | VMR | JT9524-0 | |
Acetic anhydride | Fluka | 45830 | |
Acetone | Fischer | A18P-4 | |
Chloroform | Fischer | C606-1 | Carcinogenic |
DEAE Sephadex A25 (Cl Form) | GE Healthcare Biosciences | AB 17—170-01 | 100 gram |
Decane (anhydrous): | Sigma-Aldrich | 457116 | 100 ml |
Dichloroacetic acid | Sigma | D54702 | Carcinogenic |
Dialysis cassette | Fischer(Pierce) | 66110 | Slide-A-Lyzer, 3500 MWCO, 3-12 ml |
DMSO | Thermo Scientific | 20684 | |
Ethyl acetate | Fischer | UN1173 | |
Florisil | Fluka | 46384 | for packing chromatography column |
Hexanes | EMD | HX0290-6 | |
Iodomethane | Riedel de Haen, Germany | 03810 | stabilized with silver foil Carcinogenic |
Methanol | VWR/EMD | MXO475-1 | |
Neutral glycosphingolipid Qualmix | Matreya | 1505 | |
Monosialganglioside mixture | Matreya | 1508 | |
Disialoganglioside mixture | Matreya | 1509 | |
Lactosyl ceramide and sialosylderivatives | Matreya | 1510 | |
Gangliotetraosyl ceramide and sialosyl derivatives | Matreya | 1511 | |
Pasteur pipettes | Fischer | 13-678-6A | 9"'' |
Pyridine: | Sigma | 270407 | |
Sodium Hydroxide: | BDH | 0292 | 500 gram |
Sodium methoxide | Sigma | 404367 | 0.5 M solution in methanol |
Toluene | J.T. Baker | 9351-03 | 4 L |
Pasteur pipettes | Fischer | 13-678-6A | 9"'' |
Fiber glass (glass wool) | Corning Incorporated | 3950 | Pyrex 9989 glass |
12x75 mm glass tubes | Fischer | 14-962-10B | |
Calibrated pipettes (100 microlitter) | VMR | 53432-921 | |
16x100 mm disposible borosilicate tubes x1,000 | Fischer | 14-961-29 | With screw caps |
Caps for glass tubes | Kimble | 40566C | size/13-415 |
Merck TLC plates | Sigma | Z 29, 301-6 | |
Glass tank for TLC | Sigma | Z 12,619-5 | |
Drummond Microcaps | Drummond scientific company | 1-000-0100 | 10 μl, for loading of TLC samples |
Sunrise Microplate Absorbance Reader | Tecan | A-5082 | |
Whatman Chromatography Paper | Fischer | 05-716-3E | 18 cm x 34 cm For TLC Tank |
Orcinol ferric chloride spray reagent | Sigma | O7875 | For detecting glycosphingolipids on TLC plates |
Prevel Spray Unit | Sigma | Z 36,555-6 | |
Sonicator | Fischer | FS20 | |
Centrifuge | Sorvall | Legend RT | |
Speedvac | Savant | AS160 | With chemical trap for organic solvants |
MALDI TOF-TOF Mass spectrometer | Applied Biosystems | Proteomics 4700 | |
Ion Trap Mass spectrometer | Thermo | LTQ |
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