劉英杰,姚明珠,李?yuàn)櫸?,陳中祥,?鵬,孫言春*
(1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海 201306;2.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 黑龍江水產(chǎn)研究所,黑龍江 哈爾濱 150010)
代謝組學(xué)是研究生物體系受到外部刺激或擾動(dòng)后內(nèi)源性代謝物的整體改變及變化規(guī)律的一門科學(xué)[1]。作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分,隨著高通量高分辨率分析技術(shù)的不斷成熟,代謝組學(xué)發(fā)展迅速,現(xiàn)已在藥物毒理、臨床疾病及食品營(yíng)養(yǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于代謝組學(xué)可以揭示生物系統(tǒng)在細(xì)胞層面的變化規(guī)律,從整體上闡明特定性狀發(fā)生發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和調(diào)控機(jī)制,因此為包括水生動(dòng)物在內(nèi)的良種繁育以及抗逆應(yīng)激機(jī)制研究提供了一種新的有效手段。近年來,代謝組學(xué)技術(shù)在水產(chǎn)科學(xué)中的研究備受關(guān)注[2-5]。
目前,代謝組學(xué)常用的分析技術(shù)主要包括液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用[6-7]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GCMS)[8-9]、核磁共振(NMR)[10-11]等。其中,以超高效液相色譜-三重四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(UPLCQTOF MS)為代表的液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)因高靈敏度、高通量、高特異性、高分辨率和掃描速度等特點(diǎn)已成為代謝組學(xué)分析的重要手段。就分析步驟而言,常規(guī)的代謝組學(xué)實(shí)驗(yàn)流程主要包括樣本的收集和前處理、代謝組數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、標(biāo)志物識(shí)別和通路分析等。由于生物樣品中所含物質(zhì)種類豐富,而其中代謝物的豐度和極性呈現(xiàn)高度差異性,因此,規(guī)范的樣本前處理與數(shù)據(jù)采集方法在提高代謝物數(shù)據(jù)的覆蓋率、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性過程中起著決定性的作用[12]。
作為魚類參與呼吸、離子和滲透調(diào)節(jié)、酸堿平衡和氨氮排泄的主要功能器官,鰓與周圍水環(huán)境有著直接和持續(xù)的相互作用,在環(huán)境適應(yīng)、應(yīng)激下的生理調(diào)控中扮演著重要角色[13]。由于鰓組織中的代謝物具有種類繁多、化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣、極性差異較大等特點(diǎn),因而對(duì)其代謝組學(xué)的全面分析提出了巨大挑戰(zhàn)。目前,雖有一些研究對(duì)血清[14]、血漿[15]、腎臟[16]、胚胎[17]等樣品的代謝組學(xué)分析方法進(jìn)行了探討,但仍然缺乏對(duì)于鰓這一水生動(dòng)物特定器官的代謝組學(xué)分析優(yōu)化方案。鰓代謝組學(xué)前處理以及數(shù)據(jù)采集的各方法中,尚未達(dá)到更好的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。因此,亟需建立一種適用于鰓樣品的代謝組學(xué)分析方法,用于解析鰓靶器官在魚類生物功能中的科學(xué)內(nèi)涵。
本研究采用UPLC-QTOF MS 技術(shù)作為分析手段,利用蛋白質(zhì)沉淀法對(duì)鯽鰓組織樣品中的代謝物進(jìn)行提取,通過反相C18色譜柱對(duì)代謝物進(jìn)行色譜分離,并以葡萄糖、L-亮氨酸、檸檬酸、8-羥基二十碳四烯酸(8-HETE)、溶血磷脂酰膽堿(18∶0)(LysoPC(18∶0))、尿苷6 種不同極性的代表性內(nèi)源代謝物為研究對(duì)象,以代謝物的覆蓋率、穩(wěn)定性為指標(biāo),結(jié)合質(zhì)量控制(QC)樣本評(píng)價(jià)方法,建立了適用于魚鰓靶器官中小分子代謝物全面分析的代謝組學(xué)分析方法。該方法對(duì)鰓組織樣品中廣極性代謝物的覆蓋面寬,具有提取率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、專屬性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn),適用于開展魚類代謝組學(xué)研究。
ACQUITY UPLC 超高效液相色譜儀(美國(guó)Waters 公司);SCIEX Triple TOF 5600 plus 高分辨質(zhì)譜儀(美國(guó)AB SCIEX公司);Allegra X-30R高速離心機(jī)(美國(guó)Beckman公司);高通量組織研磨機(jī)(寧波新芝生物有限公司);渦旋混勻器(德國(guó)IKA公司);數(shù)控超聲儀(昆山超聲儀器有限公司);XS205DY電子天平(瑞士Mettler Toledo 公司);YP-2002 電子天平(上海越平公司);Milli-Q A10 超純水機(jī)(美國(guó)Millipore公司)。
甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)(質(zhì)譜純,德國(guó)Merck 公司);甲酸(色譜純,德國(guó)Merck 公司);0.22μm 有機(jī)相濾膜(上海安譜公司);間氨基苯甲酸乙酯甲磺酸鹽(MS-222)(美國(guó)Sigma-Aldrich 公司);生理鹽水(四川科倫藥業(yè)公司)。
1.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與樣品采集本實(shí)驗(yàn)所用銀鯽取自哈爾濱市方正縣方正銀鯽國(guó)家良種場(chǎng)。選擇大小均一、健康無外傷且遺傳背景一致的銀鯽50 尾,體長(zhǎng)約(13.0±0.5)cm,質(zhì)量約(120.10±5.64)g,將其轉(zhuǎn)移至室內(nèi)溫控循環(huán)養(yǎng)殖設(shè)備中。每天保持12 ~14 h 的光照,水溫23 ~24 ℃,按照三定三巡(定時(shí)定點(diǎn)定量投喂、早中晚巡查)的管理模式馴養(yǎng)15 d。采樣前24 h 停止喂食,將魚轉(zhuǎn)移至100 mg/L 的MS-222 溶液中深度麻醉后置于冰上解剖,快速采集鰓組織,用生理鹽水清洗表面血液后立即置于凍存管中液氮速凍,之后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱保存。
1.2.2 樣品預(yù)處理取出-80 ℃下保存的鰓組織樣品于4 ℃下解凍,準(zhǔn)確稱取50 mg于1.5 mL離心管中,加入800μL的4 ℃預(yù)冷甲醇-水(4∶1)和3個(gè)小鋼珠,-20 ℃下以60 Hz的速度低溫研磨3 min,于-20 ℃靜置30 min后,在4 ℃下以13000 r/min離心15 min,取500μL上層溶液,經(jīng)0.22μm有機(jī)濾膜過濾至進(jìn)樣瓶中待測(cè)。在此過程中,將所有樣品等量混合制備QC樣品,用于方法學(xué)考察。
1.2.3 UPLC-QTOF MS檢測(cè)采用Waters Acquity UPLC BEH C18色譜柱(100 mm×2.1 mm,1.7μm),流動(dòng)相A 為0.1%甲酸水溶液,流動(dòng)相B 為0.1%甲酸乙腈溶液,流速為0.30 mL/min。洗脫梯度:0 ~2 min,5%~20%B;2~3 min,20%~60%B;3 ~11 min,60%~80%B;11 ~12 min,80%~100%B;12 ~13 min,100%B;13 ~13.1 min,100%~5%B;13.1 ~15 min,5%B。柱溫為35 ℃,自動(dòng)進(jìn)樣室溫度為4 ℃,進(jìn)樣量為10μL。
離子源采用電噴霧(ESI)源,在正、負(fù)離子模式下掃描數(shù)據(jù)。TOF MS Scan 模式m/z范圍為100 ~1200 Da;離子源溫度:550 ℃;離子化電壓:5500 V/-4500 V(正/負(fù)離子模式);氣簾氣(CUR):241.3 kPa;噴霧氣(GAS):344.7 kPa;去簇電壓(DP):80 eV;碰撞能量(CE):10 eV。信息依賴采集(IDA)法進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集的m/z范圍為50 ~1200 Da,開啟動(dòng)態(tài)背景扣除(DBS),DP:80 eV;CE:(35±15)eV。每隔5個(gè)樣品采集1次QC樣品,以評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量。
1.2.4 數(shù)據(jù)處理將正、負(fù)離子模式下采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件Progenesis QI(美國(guó)Waters 公司),對(duì)色譜峰進(jìn)行譜峰識(shí)別、峰對(duì)齊、峰過濾等數(shù)據(jù)預(yù)處理程序。隨后,使用HMDB(http://www.hmdb.ca/)與LIPID MAPS(https://www.lipidmaps.org/)公共數(shù)據(jù)庫對(duì)代謝物進(jìn)行注釋。最后輸出由保留時(shí)間、精確質(zhì)荷比、樣本名稱、代謝物名稱和峰面積組成的數(shù)據(jù)矩陣,導(dǎo)入多變量統(tǒng)計(jì)軟件SIMCA 14.1進(jìn)行主成分分析(PCA)。
代謝物的提取質(zhì)量是影響代謝組學(xué)分析的關(guān)鍵因素,因而樣品前處理步驟至關(guān)重要。在動(dòng)物的代謝組學(xué)分析中,代謝物種類繁多,且不同代謝物之間的化學(xué)性質(zhì)差異大。提取過程中必須兼顧不同代謝物的理化性質(zhì),盡可能高質(zhì)量地獲得樣本中代謝物的全部信息。提取溶劑的種類、用量以及提取溫度等關(guān)鍵參數(shù)會(huì)對(duì)代謝物的提取結(jié)果產(chǎn)生影響,因此本研究對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
2.1.1 提取溶劑種類的選擇代謝組學(xué)分析中,不同種類的提取溶劑對(duì)代謝物的極性選擇范圍不同。因此,提取溶劑種類是影響內(nèi)源性代謝物的數(shù)量、種類和信號(hào)強(qiáng)度的主要因素之一[18]。以圖譜總峰面積、檢測(cè)到的代謝物數(shù)目、相對(duì)峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)以及代表性代謝物的信號(hào)強(qiáng)度為指標(biāo),考察了MeOH、ACN、MeOH-ACN(1∶1,體積比,下同)、MeOH-H2O(4∶1)、MeOH-H2O(7∶3)5 種提取溶劑的提取效果。
首先,將正、負(fù)離子模式下獲得的UPLC-QTOF MS 原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Progenesis QI 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,得到不同提取溶劑下檢測(cè)的總峰面積。結(jié)果如圖1A所示,采用MeOH-H2O(4∶1)提取處理后,鰓組織樣品經(jīng)UPLC-QTOF MS檢測(cè)的圖譜總峰面積最大,且與除MeOH-H2O(7∶3)以外的3種提取溶劑之間存在顯著差異。隨后,使用公共數(shù)據(jù)庫對(duì)代謝物進(jìn)行注釋,并計(jì)算各代謝物在不同樣本間相對(duì)峰面積的RSD,以考察不同提取溶劑的平行性。結(jié)果如圖1B 所示,采用MeOH、ACN、MeOH-ACN(1∶1)、MeOH-H2O(4∶1)、MeOH-H2O(7∶3)為提取溶劑分別鑒定出528、564、513、598和581種代謝物。在代謝組學(xué)分析中,代謝物的相對(duì)峰面積RSD <30%時(shí),表明其特征較穩(wěn)定[19]。相較而言,采用MeOH-H2O(4∶1)作為提取溶劑獲得的代謝物數(shù)目最多,覆蓋率最大,且相對(duì)峰面積RSD <30%的代謝物占比最大。選取葡萄糖、L-亮氨酸、檸檬酸等6種代表性內(nèi)源代謝物,進(jìn)一步考察了碳水化合物、氨基酸、甘油酯、有機(jī)酸等不同種類與極性的代謝物采用上述提取溶劑時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度。結(jié)果如圖1C所示,除LysoPC(18∶0)外,其余代表性代謝物采用MeOH-H2O(4∶1)為提取溶劑可獲得更高的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度。綜上,本研究最終選擇MeOH-H2O(4∶1)作為提取溶劑。
圖1 提取溶劑種類對(duì)鰓代謝物提取結(jié)果的影響Fig.1 The influence of extraction solvent type on the extraction results of gill metabolitesA. total peak area of TIC;B. the number of metabolites and RSD distribution;C. relative signal abundance of representative metabolites with different polarities;different letters in Fig.1A indicate significant differences among the treatment groups(p <0.05)
2.1.2 提取溶劑用量的選擇提取溶劑的用量直接影響樣品中蛋白質(zhì)的去除效果和小分子代謝物的溶出效率,參考相關(guān)文獻(xiàn)[20-22],本實(shí)驗(yàn)考察了樣品-試劑比(mg∶μL)分別為1∶13、1∶16、1∶20 和1∶25時(shí)對(duì)鰓組織中代謝物提取效果的影響。
結(jié)果表明,樣品-試劑比(mg∶μL)為1∶16 時(shí)獲得的圖譜總峰面積最大,且與1∶20 和1∶25 兩組之間存在顯著差異(圖2A)。樣品-試劑比為1∶13、1∶16、1∶20 和1∶25 時(shí)分別鑒定出564、580、497 和472 種代謝物,其中樣品-試劑比為1∶16 時(shí)獲得的代謝物數(shù)量最多,且相對(duì)峰面積RSD <30%的代謝物占比最大,穩(wěn)定性良好(圖2B)。進(jìn)一步考察了6 種代謝物在上述樣品-試劑比例下的信號(hào)強(qiáng)度,結(jié)果顯示,各代謝物在樣品-試劑比為1∶16 時(shí)的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度更高(圖2C)。綜上,本研究最終選擇樣品-試劑比(mg∶μL)為1∶16。
圖2 提取溶劑用量對(duì)鰓代謝物提取結(jié)果的影響Fig.2 The influence of extraction solvent amount on the extraction results of gill metabolitesA. total peak area of TIC;B. the number of metabolites and RSD distribution;C. relative signal abundance of representative metabolites with different polarities;different letters in Fig.2A indicate significant differences among the treatment groups(p <0.05)
2.1.3 提取溫度的選擇在代謝組學(xué)樣品前處理過程中,提取溫度顯著影響小分子代謝物的提取效果。提取溫度過高可能影響蛋白質(zhì)的沉淀效果,并導(dǎo)致代謝物降解。為進(jìn)一步提高代謝物的提取效果,本研究對(duì)提取溫度進(jìn)行了優(yōu)化。分別考察3 種不同方法對(duì)代謝物提取效果的影響:①鰓組織中加入常溫(25 ℃)提取溶劑進(jìn)行研磨;②鰓組織中加入4 ℃預(yù)冷后的提取溶劑進(jìn)行常溫研磨;③鰓組織中加入4 ℃預(yù)冷后的提取溶劑,在-20 ℃下進(jìn)行低溫研磨后,置于-20 ℃環(huán)境中靜置30 min。
結(jié)果顯示,采用方法③獲得的圖譜總峰面積最大,且與其它兩種方法存在顯著差異。就代謝物數(shù)目而言,上述3種提取條件下分別獲得459、530、583種代謝物。采用方法③獲得的代謝物數(shù)量最多,且相對(duì)峰面積RSD <30%的代謝物占比最大,體現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)6種代表性代謝物在不同提取溫度下的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示,采用方法③時(shí),6種代謝物均可獲得最強(qiáng)的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度。
綜上所述,最佳前處理方法為:樣品-試劑比(mg∶μL)為1∶16,以4 ℃預(yù)冷的MeOH-H2O(4∶1)作為提取溶劑,在-20 ℃下進(jìn)行低溫研磨后,置于-20 ℃環(huán)境中靜置30 min。
2.2.1 色譜條件的優(yōu)化采用Waters Acquity UPLC BEH C18色譜柱(100 mm ×2.1 mm,1.7μm),分別考察了流動(dòng)相種類、柱溫、流速、進(jìn)樣量等條件對(duì)色譜分離效果的影響。
為避免基質(zhì)干擾,優(yōu)化目標(biāo)峰的保留時(shí)間,比較了甲醇-水、乙腈-水、0.1%甲酸甲醇-0.1%甲酸水、0.1%甲酸乙腈-0.1%甲酸水4種流動(dòng)相對(duì)代謝物分離效果的影響。結(jié)果表明,流動(dòng)相B為乙腈時(shí)代謝物的響應(yīng)強(qiáng)度優(yōu)于甲醇。而甲酸的加入有利于分析物形成[M+H]+,提高正離子檢測(cè)模式下的離子化效率,同時(shí)可顯著改善負(fù)離子檢測(cè)模式下的色譜峰形,減少色譜峰拖尾。雖然酸性流動(dòng)相對(duì)負(fù)離子檢測(cè)模式下的信號(hào)強(qiáng)度略有抑制,但其減小程度不顯著。因此本實(shí)驗(yàn)選擇0.1%甲酸乙腈-0.1%甲酸水溶液作為流動(dòng)相。
對(duì)柱溫及流速的考察結(jié)果發(fā)現(xiàn),柱溫為35 ℃,流速為0.30 mL/min 時(shí)可獲得較好的分離效果。對(duì)樣品進(jìn)樣量的考察結(jié)果發(fā)現(xiàn),增加進(jìn)樣量可提高代謝物的響應(yīng)強(qiáng)度,但流動(dòng)相系統(tǒng)的壓力會(huì)有明顯波動(dòng),導(dǎo)致干擾色譜峰無序出現(xiàn),甚至影響目標(biāo)色譜峰。最終,本實(shí)驗(yàn)選擇最佳進(jìn)樣量為10μL。
2.2.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化UPLC-QTOF MS系統(tǒng)使用電噴霧離子源(ESI),為提高質(zhì)譜響應(yīng)強(qiáng)度及靈敏度,本實(shí)驗(yàn)選擇前述6種代表性內(nèi)源代謝物對(duì)離子源溫度、離子源噴霧電壓、氣簾氣、噴霧氣、去簇電壓、碰撞能量等質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,最終得到優(yōu)化的質(zhì)譜采集條件如“1.2.3”所示。
經(jīng)色譜、質(zhì)譜條件優(yōu)化后,正、負(fù)離子模式下鰓組織樣品中6種代謝物的總離子流色譜圖(TIC)如圖3所示。結(jié)果表明,各色譜峰的分離效果良好,響應(yīng)值得到了顯著提升。
圖3 UPLC-QTOF MS分析獲得的鰓組織代謝物總離子流色譜圖Fig.3 Total ion chromatograms(TIC)of gill metabolites obtained by UPLC-QTOF MSA. positive ion mode;B. negative ion mode
2.3.1 儀器精密度按照優(yōu)化后的樣品前處理與儀器分析方法,對(duì)同一QC 樣品連續(xù)進(jìn)樣6 次,進(jìn)行UPLC-QTOF MS分析。表1結(jié)果顯示,6種代表性代謝物相對(duì)峰面積的RSD為2.2%~4.2%,保留時(shí)間的RSD為1.2%~2.4%,表明儀器精密度良好。
2.3.2 方法精密度按照優(yōu)化后的樣品前處理與儀器分析方法,取6 份QC 平行樣品,進(jìn)行UPLCQTOF MS分析,并將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析。表1結(jié)果表明,6種代表性代謝物相對(duì)峰面積的RSD為3.4%~6.8%,保留時(shí)間的RSD為1.4%~4.6%。6個(gè)QC平行樣本在正、負(fù)離子模式下的一維PCA圖如圖4A、4B所示,各樣本的偏差均在2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(Std)范圍內(nèi)。取10份普通樣品同時(shí)進(jìn)行UPLC-QTOF MS分析,在正、負(fù)離子模式下獲得的二維PCA 圖如圖4C、4D 所示,正、負(fù)離子模式下各QC 樣本在小范圍內(nèi)表現(xiàn)出高度的聚集性。結(jié)果表明該方法的精密度和重復(fù)性良好。
表1 儀器精密度、方法精密度和樣品穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)Table 1 Results of instrument precision,method precision and sample stability tests(n=6)
圖4 QC樣本的一維PCA圖(A、B)與二維PCA圖(C、D)Fig.4 One-dimensional PCA plots(A,B)and two-dimensional PCA plots(C,D)of QC samplesA,C:in positive ion mode;B,D:in negative ion mode
2.3.3 樣品穩(wěn)定性取同一QC 樣品,分別在0、6、12、24、48、72 h,按照優(yōu)化后的樣品前處理與儀器分析方法進(jìn)行UPLC-QTOF MS 分析。表1 結(jié)果表明,6 種代表性代謝物相對(duì)峰面積的RSD 為3.8%~10%,保留時(shí)間的RSD為3.4%~8.1%,表明該方法處理的樣品在72 h內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。
應(yīng)用該方法系統(tǒng)性地開展了鯽鰓靶器官代謝組學(xué)研究[23]。結(jié)果顯示,依據(jù)本方法可定性的代謝物數(shù)量平均達(dá)8000余種。對(duì)其中的高質(zhì)量物質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),二級(jí)定性物質(zhì)數(shù)量均超過600余種。捕獲代謝物包括氨基酸類、碳水化合物類、有機(jī)酸及其衍生物類、核苷酸及其類似物、甘油酯類等二十余種。與同類研究相比,所獲得的代謝物數(shù)目更多,覆蓋范圍廣泛且無偏向性。在后續(xù)的差異代謝物篩選分析過程中,共篩選出顯著差異代謝物200余種,而前期采用未經(jīng)優(yōu)化的方法僅篩選出100余種。本方法發(fā)現(xiàn)的差異代謝物數(shù)量提高了1 倍以上,從而顯著提高了發(fā)現(xiàn)代謝性生物標(biāo)記物的概率,為開展魚類鰓靶器官代謝組學(xué)研究提供了可靠的方法學(xué)依據(jù)。
本研究針對(duì)魚類鰓靶器官代謝組學(xué)分析過程中存在的科學(xué)問題,對(duì)影響樣品前處理以及儀器分析過程中的關(guān)鍵因素開展了系統(tǒng)研究,建立了一種基于UPLC-QTOF MS 檢測(cè)技術(shù)的魚類鰓組織代謝組學(xué)分析方法。結(jié)果表明,該方法具有精密度高、穩(wěn)定性好、特異性強(qiáng)等特點(diǎn),符合高通量代謝組學(xué)研究的基本要求。研究結(jié)果為各種魚類鰓靶器官的高通量代謝組學(xué)研究提供了技術(shù)支持,可為解析鰓器官在細(xì)胞層面發(fā)生的代謝調(diào)控規(guī)律提供方法學(xué)基礎(chǔ),具有重要的現(xiàn)實(shí)科學(xué)意義。