Bridging Metabolome and Health

应用新型鞘脂整合分析方案剖析小鼠不同发育阶段心脏和脑组织中鞘脂稳态特征

科学家和临床医生经常看到大量与病理相关代谢物的改变,有时却不能找出任何特定通路中相关代谢酶的缺陷,阻断了下一步的干预治疗。为了促进特定代谢通路的代谢组学在转化医学方面的应用,迫切需求开发能够定向进行相关通路研究的快速代谢组学方法,这就要求能够充分网罗生理相关脂质的同时,还能够达到可被接受的精准半定量的目的。   

       目前为止,人类退型疾病的主要原因之一是鞘脂代谢的异常调节。鞘脂沉积的显著特征是溶酶体内异常累积鞘脂,溶酶体通常被视作细胞内的胃,将复杂的代谢物分解为细胞内的营养物质。哺乳动物鞘糖脂的分解代谢通路遵守严格的顺序性,降解过程中每一步的缺陷都会表现出病理特征(图1)。值的注意的是,复杂鞘糖脂的顺序分解代谢发生在细胞内特定的腔室,叫做核内体和溶酶体,且对微环境pH与膜脂组成有严格的要求。溶血磷脂酸(Lysobisphosphatidic acids, LBPA)又叫单酰基甘油磷酸盐(bis(monoacylglycero) phosphate, BMP),代表一类专门定位在核内体和溶酶体内膜上非常规的阴离子磷脂质,因此可以将LBPA 与溶酶体功能相关联。且已有的研究表明:内溶酶体膜上高比例的LBPA促进鞘糖脂的降解。

图1:鞘脂降解过程特定步骤缺陷对应的疾病

内质网上磷脂酰甘油(Phosphatidylglycerol,PG)与线粒体来源的心磷脂(Cardiolipin, CL)是LBPA合成的主要前体物质,心磷脂通过线粒体自噬的方式到达核内体。异常的鞘糖脂降解是溶酶体物质累积的紊乱的一种,会影响线粒体自噬与其正常的生理功能。因此,开发一种研究内溶酶(endolysosomal)体功能紊乱的综合方法,不但要求能够检测到多种不同类型复杂鞘糖脂和它们生物合成的前体物质,而且需要同时检测到涉及线粒体稳态和β-氧化的脂类,例如心磷脂,游离的脂肪酸(Free fatty acids,FFAs)和酰基肉碱。鞘糖脂紊乱作为例子,我们开发了一种快速的针对性检测鞘脂代谢改变导致的内溶酶体功能障碍的综合方法。这种方法建立在高效液相色谱和质谱联用的基础上,能够同时扫描分析以下脂类FFA,酰基肉碱LBPA,CL,PG,SM,ceramidesphingosine-1-phosphate ,多种鞘糖脂(GM1, GM2, GM3, GluCer, GalCer, LacCer, Gb3SL), 检测限达到0.05-0.4ng。 该方法一次注射在20分钟可定量分析包括主要鞘脂类在内300种以上分子,实现了高通量、高覆盖、高灵敏度精确定量的鞘脂组学分析

应用此方法剖析小鼠出生后发育不同阶段心肌和神经中鞘糖脂的稳态特征后,我们发现:出生后发育的不同时期,内源性的LBPA与一些特定复杂鞘糖脂间存在显著地共调控;1)随着出生后的发育过程,心肌中LBPA与SM/Gb3之间共调控的变得更加紧密(图2);2)而脑组织中LBPA与长链GM3间的共调控,随着发育降低(图3)。鞘脂稳态随发育过程的改变,可能主要归因于不同发育阶段内溶酶体对复杂鞘脂选择性的分解代谢。因此此高效的方法检测在不同发育阶段,不同器官鞘脂分解代谢是否正常可能对发育过程评估器官是否健康有重要的意义https://doi.org/10.1016/j.aca.2018.01.015

图2:小鼠心脏从出生后发育至生殖衰老阶段不同时期的脂组学关联分析结果

图3:小鼠脑组织从出生后发育至生殖衰老阶段不同时期的脂组学关联分析结果


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