Method Article
Um método específico e sensível para obter informações sobre o perfil de expressão de antígenos glicoesfingolipídeos em órgãos e células do sistema imunológico é descrito. O método tira partido da espectrometria de massa de iões armadilha permitindo passo a passo de fragmentação de moléculas de glicoesfingolipídeos para análise estrutural em comparação com padrões de síntese química.
Glicoesfingolípidos (GSL) pertencem à classe de glicoconjugado biomacromoléculas, que levam informações estruturais significativas para os processos biológicos, tais como o desenvolvimento embrionário, a transdução de sinal, e no reconhecimento imunológico do receptor 1-2. Eles contêm porções de açúcar complexos, sob a forma de isómeros, e porções lipídicas, com variações, incluindo comprimento de cadeia acilo gordo, de insaturação, e hidroxilação. Ambas as porções de hidrato de carbono e de ceramida pode ser base de significância biológica. Por exemplo, o tri-hexosylceramides incluem globotriaosilceramida (Galα4Galβ4Glcβ1Cer) e isoglobotriaosylceramide (Galα3Galβ4Glcβ1Cer), que possuem massas moleculares idênticas mas ligações de açúcar diferentes de fracção de hidratos de carbono, completamente responsável por diferentes funções biológicas 3-4. Em outro exemplo, demonstrou-se que a modificação da parte ceramida de alfa-galactosilceramida, um ligando agonista potente para invariantecélulas NK, mudanças de formigas seus perfis de citocinas secreção e função em modelos animais de câncer e doenças auto-imunes 5. A dificuldade na realização de uma análise estrutural de isómeros nos órgãos e células imunes servir como uma barreira para a determinação muitas funções biológicas 6.
A seguir, apresentamos uma versão visualizada de um método de análise relativamente simples, rápido, sensível e de perfis de glicoesfingolipídeos em células imunes 7-9. Este método baseia-se na extracção e modificação química (permetilação, ver abaixo Figura 5A, todos os grupos OH de hexose foram substituídos por MeO após reacção permetilação) de glicoesfingolípidos 10-15, seguido de posterior análise usando laser assistida por matriz de dessorção / ionização-tempo de vôo espectrometria de massa (MALDI-TOF/MS) e espectrometria de massa de íons armadilha. Este método exige 50 milhões de células imunes para uma análise completa. Os experimentos podem ser concluídas dentro de uma semana. A abundância relativa dos vários glicoesfingolípidos pode ser delineada por comparação com padrões sintéticos. Este método tem uma sensibilidade de medição de 1% entre iGb3 Gb3 isómeros, quando da mistura de 2 fmol iGb3/Gb3 total está presente 9.
Espectrometria de massa de iões de captura podem ser utilizadas para analisar os isómeros. Por exemplo, para analisar a presença de globotriaosilceramida isoglobtriaosylceramide e na mesma amostra, pode-se utilizar a fragmentação de moléculas estruturalmente glicoesfingolipídeos a discriminar entre os dois (ver Figura 5 abaixo). Além disso, a modificação química das porções açúcar (por meio de uma reacção de permetilação) melhora a eficiência de ionização e fragmentação de maior sensibilidade e especificidade, e aumenta a estabilidade dos resíduos de ácido siálico. A modificação química de extracção e glicoesfingolípidos pode ser realizada em um capuz clássico químicas certificadas, e a espectrometria de massa pode ser realizada por núcleoinstalações com instrumentos ion trap MS.
1. Preocupações de segurança em laboratório
2. Extracção de Glicoesfingolipídeos de células de leucemia de rato
A fracção ácida contém gangliósidos, que podem ser dialisados para a reacção 3 Passo directamente.A fracção neutra contém não só glicoesfingolípidos neutros, mas também fosfolípidos (fosfatidilcolina e esfingomielina), que devem ser removidos por uma reacção de acetilação.
Na nossa experiência, o método de uma cassete de diálise, é mais eficiente e conveniente do que um tubo de diálise ou cromatografia de coluna de fase reversa C18.
A eluição a partir da coluna de Florisil é muito rápido. Volatilidade rápida dos solventes pode conduzir à secagem da coluna. Assim, todas as misturas de solventes deve ser preparada antes de correr a coluna, uma vez que não é possível parar a coluna durante a eluição.
3. Chemical Modification (permetilação) de 13 Glicoesfingolipídeos
4. MALDI-TOF Análise dos Gycosphingolipids permetilada
5. Ion trap MS Análise de Glicoesfingolipídeos permetilada
Um exemplo de uma análise de MS MALDI dos glicoesfingolípidos de rato RBL linha de leucemia de células (um tipo de célula que apresenta o antigénio que apresenta antigénios glicoesfingolipídeos de células NKT) é mostrado na Figura 3. Os iões podem ser atribuídos a estruturas específicas glicoesfingolipídeos (Figura 3A). Em células RBL tratados por NB-DGJ 16, uma droga que inibe a síntese de glicosfingolípidos, redução significativa de todos os glicoesfingolípidos foi observado (Figura 3B). Isómeros estruturais não podem ser distinguidas. A capacidade de MS / MS do Applied Biosystems 4700 permite a fragmentação de iões MS1 para MS 2 fragmentos, permitindo que a informação estrutural limitado a ser gerado. No entanto, a análise de MS2 muitas vezes não é suficiente para discriminar isómeros de oligossacáridos.
O Ion-Trap MS análise de glicoesfingolípidos permite o estudo de isómeros, tais como iGb3 (Galα3Galβ4Glcβ1Cer) e Gb3 (Galα4Galβ4Glcβ1Cer) que podem existir como os iões trihexosylceramide detectados na Figura 3A. Para detectar esses isómeros, padrão iGb3 Gb3 e foram analisados por múltiplos ciclos de fragmentação, até que foram encontradas diferenças (Figura 4A e 4B). No exemplo aqui apresentado (Figura 5C) e iGb3 Gb3 puderam ser discriminados por comparação com o padrão iGb3 e Gb3.
Figura 1. Fluxograma do procedimento de extracção, glicosfingolípidos e modificação química de glicoesfingolípidos (permetilação). Glicoesfingolipídeos foram extraídas a partir de células por solventes orgânicos. Para remover não-glicoesfingolípidos, lípidos pode ser peracetilado e desacetilado. Em segundo lugar, glicoesfingolípidos foram quimicamente modificados através de uma reacção permetilação, o que melhora a sensibilidade e especificidade do MS detection. Por fim, os perfis glicoesfingolipídeos foram determinados utilizando MALDI-TOF de espectrometria de massa e espectroscopia de massa de iões armadilha.
Figura 2. Quantificação glicosfingolípidos pelo método do ácido sulfúrico orcinol: Quantificação dos glicoesfingolípidos usando um 0,2% orcinol em solução de ácido sulfúrico a 50% e uma curva padrão de glucose.
Figura 3. Glycosphingolipidomics de células de leucemia de rato A. Representante de espectro de massa MALDI, cada ião. Representa uma estrutura específica glicosfingolípidos, isómeros estruturais não podem ser distinguidos B. NB-DGJ, uma droga que inibe a síntese de glicosfingolípidos, s.ignificantly reduz todos os glicoesfingolipídeos produzidos em células RBL.
Figura 4. Tandem Espectrometria de Massa de isómeros de Glicoesfingolipídeos. A. Característica vias de decomposição de modo positivo a espectrometria de massa de íons armadilha de GSLs permetilada 3 GB Cer e igb Cer 3. Gb 3 e IGB 3 são claramente separados por seus padrões de fragmentação. As diferenças na ligação são reflectidos nas 4 ms iões de produtos compatíveis com as isobáricas m / z 445 precursores. B. Os resultados representativos mostrando iGB3 pode ser medido em uma mistura de isómeros iGb3/Gb3. Estrelas indicam íons diagnósticos para iGb3 apenas. Clique aqui paraver figura maior.
Figura 5. Ion trap MS permite a análise de isômeros de glicoesfingolípidos. A. Padrão iGb3 e Gb3 demonstram diferença de perfil de fragmentação após quatro rodadas de fragmentação em uma armadilha de íons LTQ espectrômetro de massa. B. Característica MS 4 perfil de íons derivados de iGb3 ou Gb3. C. Trihexosyleramides são misturas de isómeros Gb3 iGb3 e que podem ser identificados por método de ion trap MS (Figura Dapeng por Zhou). Clique aqui para ver maior figura .
O glycome, cunhado em analogia com o genoma e proteoma, refere-se a todas as estruturas de sacarídeos de um organismo. Para compreender plenamente as funções múltiplas de glicosilação exigirá uma abordagem integrada, incluindo ambos os estudos funcionais e estruturais Glicômica. Ambos são complicados pela natureza não-molde dirigido de glicano biossíntese, a complexidade resultante e diversidade de estruturas de glicano, o frequente envolvimento de estrutura aglicona na modulação de glicano interacções ligando-receptor ao nível molecular, bem como a importância funcional de ligandos de baixa abundância.
É geralmente aceite que a espectrometria de massa (MS) é um método indispensável para estudos estruturais Glicômica, especialmente para identificação e caracterização de ligandos de baixa abundância. Para observar glicanos ou glicoconjugados como espécies moleculares, muitas vezes usamos um altamente eficiente, o método de ionização baixa energia, chamado de ionização electrospray (ESI). Para mais detailed caracterização da estrutura de glicano, é essencial para seleccionar espécies moleculares individuais e quebrar os glicanos em pedaços menores. Isto é normalmente feito por dissociação induzida por colisão, o que envolve a activação dos glicanos por colisão com as moléculas de gás inerte. O aumento da energia induz quebras ligação, e uma análise sistemática dos fragmentos resultantes fornece informações sobre a estrutura molecular do glicano. Muitas vezes, "assinatura" de fragmentos pode ser gerada, que é diagnóstico para determinadas características estruturais de glicano. Em conjunto com a massa molecular, estes fragmentos podem, por vezes, ser suficiente para a identificação de glicanos, mas no passado muito mais informação tiver sido solicitada para caracterizar completamente a eles, em particular, se a estrutura é nova. Estes métodos incluem a análise de açúcar a composição, a análise de cromatografia gasosa espectrometria de massa de parcialmente metilados alditol acetatos para a análise de ligação e digestão glicosidase específico 17.
Como demonstrado na última década 18-19, múltiplos ciclos de fragmentação de baixa energia, o qual pode ser eficazmente levada a cabo num espectrómetro de massa de armadilha de iões-(IT-MS), melhora significativamente o rendimento de informações a partir de glicano análise espectral de massa . Com quatro ou cinco ciclos de fragmentação (que não pode ser feito com outros instrumentos de MS), é possível distinguir glicanos isoméricas que contêm os componentes de açúcar mesmas dispostas em ligações de açúcar diferentes, mesmo quando estes estão presentes em conjunto em misturas de componentes com a mesma massa molecular (isóbaras). Para esta análise, os glicanos foram derivatizadas, substituindo todos os grupos hidroxilo livres com grupos metilo utilizando permetilação. Enquanto atribuição estrutural dos glicanos é possível sem permetilação, a permetilação aumenta a sensibilidade 17.
Levery e Zhou, têm combinado de todas as vantagens potenciais da TI-MS metodologia, incluindo a detecção de isomérica structures utilizando iões de assinatura de diagnóstico, apenas observáveis em MS 4 e 5, os espectros de MS para a identificação de elevada sensibilidade e quantificação de glicoesfingolípidos presentes sob a forma de misturas de várias isobáricas 7-9. Em teoria, pode ser capaz de identificar cada estrutura glicolipídeo existente, enquanto se aguarda a disponibilidade de glicolipídeos padrão, que podem ser sintetizados quimicamente.
Os passos críticos dessa análise são a taxa de recuperação de GSLs de amostras biológicas. Tipicamente 80 ug de GSL podem ser recuperados a partir de 100 milhões de células de tumor, tais como RBL. Para gerar suficientes iões moleculares para múltiplos ciclos de fragmentação em espectrómetros ion-trap de massa, pelo menos 10 microgramas de GSLs tumorais são necessários. Baixo rendimento durante a purificação de GSLs conduzirá a baixa abundância de iões, que não podiam ser submetidos a nova fragmentação. O sucesso da análise é dependente da quantidade de GSL que são recuperados. Tipicamente, concentração finalentration de GSLs permetilada deve chegar a 1 mg / ml, dissolvida em metanol, antes de ser analisado numa fonte de nano-electrospray. O limite de uma análise minuciosa MS n depende da abundância de iões específico em MS perfil 1. Um típico e abundância de iões 7 é necessário para uma completa análise MS 5. O baixo rendimento de GSLs durante a purificação pode ser causada por uma perda de GSLs durante o passo peracetylation (que remove os fosfolípidos), quando os GSLs per-acetilados devem ser ligados a resina de cromatograf ia de coluna de Florisil, lavou-se, e subsequentemente eluída. A fim de assegurar a ligação de per-acetilados GSLs para gel de sílica, as amostras devem ser recarregado duas vezes para a coluna de cromatograf ia depois flui através.
DZ é um consultor para Biotex, Houston, TX, e um inventor envolvido em patentes relacionadas a tecnologias mencionadas neste artigo, emitidos ou na aplicação.
DZ é suportado pelo MD Anderson Cancer Center e bolsas NIH AI079232. MD Anderson Cancer Center é apoiado em parte pelo NIH concessão 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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