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科研进展

朱正江课题组发表基于离子淌度质谱的甾醇组学技术描绘小鼠甾醇分布脑图谱

发布时间:Jul 19, 2021


    中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心朱正江研究员课题组在Nature Communications杂志在线发表了题为“Ion mobility-based sterolomics reveals spatially and temporally distinctive sterol lipids in the mouse brain”的研究论文。该工作首次发展了基于离子淌度质谱的四维甾醇组学技术,并以小鼠的10个功能性脑区为切入点揭示了甾醇代谢在空间分布和衰老过程中的代谢特征,首次描绘了小鼠甾醇组分布脑谱图。朱正江课题组博士生李彤洲是论文的第一作者,中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心为第一单位。

离子淌度质谱(Ion Mobility-Mass Spectrometry)是一类能够根据分析物离子的尺寸、形状和电荷进行气相分离和检测的质谱技术,朱正江课题组一直致力于发展基于离子淌度质谱的代谢组学和脂质组学技术。近期,课题组发展了世界上最大的小分子碰撞截面积数据库(AllCCS)和基于离子淌度质谱的多维代谢组学技术(Nature Communications,2020,11:4334)。针对脂质的结构特点,课题组发展了基于脂质分子的碰撞截面积计算方法LipidCCS(Anal. Chem. 2017, 89, 9559–9566)和四维脂质组学技术LipidIMMS(Bioinformatics 2019, 35, 698-700; TrAC Trends Anal. Chem. 2019, 116,332-339)。2020年,课题组又开发了脂质四维一体数据库检索和碎片三步规则的精细化注释策略,进一步提升四维脂质组学分析的精确度(Anal. Chim. Acta. 2020, 1136, 115-124)。

甾醇是一类参与构建生物膜、行使信号传导和维持能量稳态的特殊脂质代谢物,其代谢异常与多种疾病如癌症和神经退行性疾病等密切相关。甾醇组的全面分析需要应对多个挑战,如标准品缺乏,质谱分析离子化效率低、丰度低和同分异构体多等,所以常规脂质组学技术难以全面且准确地进行甾醇组分析。朱正江课题组基于这些挑战发展了基于离子淌度质谱的甾醇组学分析技术,该技术具有3个主要优势:第1,此方法结合了衍生化和离子淌度分离提升了甾醇同分异体结构分离度,结合了液相色谱和离子淌度质谱实现了更好的二维分离; 第2,此方法构建了基于机器学习的预测模型并总结了甾醇分子质谱碎裂规律,建立了包含2068种甾醇的四维信息数据库;第3,此方法基于甾醇四维数据库和优化的四维匹配算法,可以对样品内的甾醇进行高准确、多层次的鉴定和定量分析。 


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图1. 基于离子淌度质谱的四维甾醇组学技术。(图片来源:Nature Communications)

 

哺乳动物的脑组织富含胆固醇,所以甾醇代谢的失调与大脑的衰老和神经退行性疾病密切相关。该工作首先对6周小鼠的10个功能性脑区进行了甾醇组学全面定性和定量分析,发现了小鼠脑内含有197种不同的甾醇分子,通过多脑区的甾醇聚类分析表征了5个不同的甾醇亚类在10个脑区的分布差异。该工作重点发现了食物摄入性来源的植物性甾醇可以在脑桥和延髓高度富集,反映了脑区甾醇代谢的空间分布差异性。该工作还将甾醇组学分析拓展到小鼠脑衰老背景下进行时间序列分析。通过对比分析6周和68周小鼠的不同脑区甾醇的变化,该工作发现了受到衰老影响产生的甾醇代谢变化在变化数目、变化幅度等方面都存在脑区特异性。进一步解析年龄相关的甾醇代谢共调节网络清楚地展现了甾醇代谢受到衰老影响的双向性和脑区独特性。


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图2. 小鼠功能脑区的甾醇组鉴定和定量分析。(图片来源:Nature Communications)

 

最后,为了方便生命科学领域研究者共同探索脑内甾醇代谢的分布和含量,课题组还搭建了一个BrainSterolAtlas网站(http://mousebrainatlas.zhulab.cn/),用户可以在线可视化浏览和下载不同脑区甾醇数据。该工作的甾醇分析方法已经申请了国家发明专利,Sterol4DAnalyzer软件申请了国家软件著作权的保护,进一步的商业用途需要联系朱正江研究员进行授权使用。

该工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等的大力资助。

 

论文连接https://www.nature.com/articles/s41467-021-24672-x

 


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