ويرد بروتوكول لاستخراج شامل من الدهون، الأيض والبروتينات من الأنسجة البيولوجية باستخدام عينة واحدة.
فهم النظم البيولوجية المعقدة يتطلب قياس وتحليل وتكامل الطبقات المركبة متعددة من الخلية الحية، وعادة ما تحددها ترانسكريبتوميك، البروتين، الأيض والقياسات ليبيدوميك. في هذا البروتوكول، ونحن نقدم طريقة بسيطة لاستخراج استنساخه من الأيض، والدهون والبروتينات من الأنسجة البيولوجية باستخدام قسامة واحدة لكل عينة. ويستند أسلوب الاستخراج على ميثيل ثيرت- بيوتيل الأثير: الميثانول: نظام المياه للسائل: التقسيم السائل من مستقلب مسعور والقطبية إلى مرحلتين غير قابلة للامتزاج جنبا إلى جنب مع هطول الأمطار من البروتينات والجزيئات الأخرى كبيليه الصلبة. ومن ثم، فإن هذه الطريقة توفر ثلاثة أجزاء مختلفة من التركيب الجزيئي المحدد، وهي متوافقة تماما مع تكنولوجيات إنتاجية عالية مشتركة مثل اللوني السائل أو كروماتوغرافيا الغاز (غ) إلى جانب مطياف الكتلة. على الرغم من أن الطريقة كانت البدايةوضعت إيالي لتحليل عينات الأنسجة النباتية المختلفة، وقد ثبت أن تكون متوافقة تماما لاستخراج وتحليل العينات البيولوجية من نظم متنوعة مثل الطحالب والحشرات، والأنسجة الثدييات والثقافات الخلية.
وقد تطورت بيولوجيا الأنظمة، التي ظهرت في منتصف القرن الماضي 1 ، وتطورت من قبل التحليل على نطاق واسع من مجموعات البيانات الجينومية و ترانسكريبتوميك 2 ، 3 ، إلى نهج جديد لا غنى عنه لتحليل النظم البيولوجية المعقدة 4 ، 5 . ويتمثل الهدف الرئيسي لبيولوجيا النظم في فك تفاعلات المكونات واعتمادياتها في النظم البيولوجية، وربط الصلة بين الأنماط الجينية، وتحقيقها، والتحولات الجزيئية والنماذج الظاهرية الناتجة. وبناء على ذلك، أصبح إدماج مجموعات البيانات الشاملة، التي تنتجها مختلف المقاربات التحليلية الواسعة النطاق، وهي علم الجينوم، والنسخ الترانسكريبتوميكس، والتمثيل الغذائي، والليبيدات، والبروتيوميات وتحليلها الحاسوبي شرطا أساسيا لوصف وفهم النظم البيولوجية المعقدة.
بس إد على التنوع الكيميائي الضخم وتعقيد المكونات البيولوجية في أي نظام حي، وإنتاج مجموعات البيانات الكبيرة والشاملة "أوميكس" تعتمد بقوة على نوعية طريقة استخراج تطبيقها 9 . بالإضافة إلى جودة طريقة الاستخراج، اقتصاد الطريقة مهم؛ وهذا يعني أنه سيكون من المرغوب فيه الحصول على أكبر قدر ممكن من المعلومات الجزيئية من مدخلات عينة قليلة قدر الإمكان. في كثير من الأحيان يمكن أن تكون مبالغ عينة الحد، وبالتالي فمن المرغوب فيه للغاية لاستخدام طريقة الاستخراج، والتي يمكن أن تستمد العديد من الطبقات الجزيئية من استخراج واحد من عينة معينة. وهذا يعني أنه بدلا من استخدام عدة طرق استخراج متخصصة لاستخراج فئات مركب مختلفة من قسائم عينة مختلفة من العينة نفسها، يتم استخدام طريقة استخراج متتابعة، الذي يجزأ المكونات الجزيئية لقسامة واحدة في كسور الجزيئية المختلفة.
_content "> تستند الطريقة الشائعة المستخدمة في طرق الاستخلاص المجزأة هذه إلى طريقة استخراج الدهون في مرحلتي فولش وآخرون التي تم تطويرها في عام 1957 10. وتستند هذه الطريقة إلى الكلوروفورم: تقطيع الميثانول / الماء من المستقلبات القطبية والمائية، وكان تهدف إلى تنظيف و إزالة عينات معقدة لتحليل الدهون عالية الجودة مع تطور البيولوجيا نظم متعددة اوميك، كان الأسلوب فولش أبعد من ذلك، وتحسين تدريجيا من خلال الاستفادة من ذلك لتقسيم عينة من البروتينات والأيض القطبية والدهون ل والزيوت والسائلة اللوني المستندة إلى الأيض و ليبيديوميكش من المركبات القطبية ومسعور، بالإضافة إلى البروتينات القائمة على اللوني السائل 11 ، 12 ، 13 ، 14. للأسف، كل هذه الأساليب تعتمد على طريقة استخراج الكلوروفورم القائم، والتي ليس فقط يؤدي إلى فو غير مرغوب فيهروماتيون من بيليه البروتين كما إنتيرفاس بين القطبية والدهون المرحلة، ولكن الذي هو أيضا مذيب غير مرغوب فيه من منظور الكيمياء الخضراء 15 ، 16 . ومع ذلك، فإن المذيبات ثالثي بيوتيل الأثير (متب) يتغلب على كل من هذه المشاكل المذكورة أعلاه، وهو بديل مناسب للكلوروفورم. واستنادا إلى هذه المتطلبات، قررنا إنشاء متب: الميثانول: طريقة الاستخلاص القائمة على المياه، والتي تستوفي جميع المواصفات المذكورة أعلاه، وبالتالي فهي بمثابة نقطة انطلاق مثالية لتحليل شامل متعدد الأوميات 16 .هذا البروتوكول يرشد المستخدم خطوة بخطوة من خلال سير العمل بسيطة وسريعة وقابلة للتكرار لإعداد العينة، بما في ذلك استكشاف الأخطاء وإصلاحها من المشاكل التي لوحظت عادة. وعلاوة على ذلك، سوف نقدم بإيجاز البيانات التحليلية النموذجية من فائقة الأداء اللوني السائل الطيف الكتلي (أوبلك-مس) -basعلم الليبيدات، و الأيض و بروتيوميكس التنميط من عينات الأنسجة النباتية. على الرغم من أن الأمثلة المستمدة من 50 ملغ من عينة الأنسجة ورقة أرابيدوبسيس ثاليانا ، وقد تم استخدام هذا البروتوكول لعدة عينات وأنسجة بيولوجية أخرى، بما في ذلك الطحالب 17 ، 18 ، الحشرات 19 وخلايا الثدييات والأعضاء والأنسجة 20 ، 21 ، 22- إن نطاق بروتوكول الاستخراج المقدم هو تقديم وصف واضح وتفصيلي لمعالجة العينات قبل الاستخراج وإجراءات الاستخراج نفسها. على الرغم من أننا نقدم ثلاثة أمثلة وجيزة من التطبيق التحليلي، ويمكن الحصول على معلومات مفصلة حول معالجة البيانات قبل وبعد التحليل من منشوراتنا السابقة 16 ، 23 ، 24 ، <supكلاس = "كريف"> 25 ، 26 .
في هذه المقالة، ونحن تصف وتوضيح بروتوكول استخراج بسيطة ومتطورة للغاية ل ليبيدوميك شامل، ميتابولوميك وتحليل البروتين من عينة واحدة 50 ملغ ورقة. وقد استخدمت هذه الطريقة سابقا في العديد من الدراسات التي نشرت في مواد متنوعة 17 و 18 و 19 و 20 و 21 و 22 و 23 و 24 و 25 و 26 و 31 و 32 و 33 و 34 و 35 و 36 و 37 وثبت، بالإضافة إلى مباشرة إلى الأماموسير العمل وتطبيق عالية لتكون قوية وقابلة للتكرار.
وتظهر التطبيقات المقدمة هنا بعض الطرق الروتينية للفحص الأولي لعينة بيولوجية معقدة. هذه مجموعات بيانات ميتابولوميك و ليبيدوميك على نطاق واسع يمكن أن توفر معلومات شاملة عن التغيرات واسعة أو محددة في عملية التمثيل الغذائي للنظام البيولوجي تحليلها، في حين أن البيانات التي تم الحصول عليها من تحليل البروتينات، ويقدم نظرة ثاقبة في الكمية (وفرة) والنوعية (التعديلات ) التغيرات في الإنزيمات والبروتينات الهيكلية أو عوامل النسخ (تفس) التي تتحكم في الوظائف الخلوية والآلات. وبناء على ذلك، فإن البيانات التكاملية أوميكس لديها القدرة على الكشف عن المعلومات الأولية عن التغيرات المحتملة الناجمة عن الاضطرابات الجينية أو الحيوية و / أو غير الحيوية للنظام البيولوجي، من خلال توضيح التغيرات الجزيئية للجزيئات المتنوعة المرتبطة مسارات الأيض محددة أو العمليات الخلوية.
بالتاكيد، على المدى الطويل، فمن الضروري جدا، لتحليل ناجح لعلم الأحياء النظم، لتحقيق أقصى قدر من عدد من الكيانات الجزيئية تحليلها والمشروح، والسماح لرصد الوظائف الخلوية والأنشطة بقدر الإمكان. لهذا الغرض، يمكن تطبيق الكسور التي تم الحصول عليها بالإضافة إلى أساليب تحليلية متنوعة، واستهداف المزيد من المركبات أو الطبقات المركبة ( الشكل 4 ).
وقد قلت هذا، لا بد من الإشارة إلى أن استراتيجية التحليل العالمي للبيانات التي تم الحصول عليها يمكن أن تكون متبعة من قبل اثنين من استراتيجيات مختلفة: من ناحية، ونحن قد تم التأكيد على توضيح الوظائف الخلوية عن طريق القياس الكمي للمركبات المعروفة. من ناحية أخرى، العديد من الأيض المقاسة والدهون ليست معروفة بعد أو المشروح. ومع ذلك، فإن قياسات المركب غير المشروح تحتوي أيضا على الكثير من المعلومات المفيدة، التي يمكن استخدامها من خلال الأساليب الإحصائية للتصنيف أو التمييز ببين المجموعات أو العلاجات 20 ، 21 ، 22 .
ومع ذلك، لا بد من تحديد هذه المركبات غير المعروفة، لا سيما تلك المتعلقة بتصنيف المجموعة أو التي تعمل كعلامات حيوية. ومن المؤسف أن عملية تحديد الهوية هذه مملة للغاية ولا يمكن تحقيقها بدون قياسات أو استراتيجيات تحليلية إضافية 38 . وكما يتضح من الشكل 4 ، فإن عدد المركبات غير المشروحة مرتفع جدا (في الواقع الغالبية العظمى). ومع ذلك، وكما ذكر أعلاه، يمكن التعامل مع هذه القمم الكروماتوغرافية ضمن تحليل البيانات وبالتالي يمكن التأثير بشكل كبير على الكيانات المتأثرة وخضوعها لمزيد من استراتيجيات تحديد الهوية.
باختصار، يمكننا أن نخلص إلى أن بروتوكول هنا قدم يوفر العديد من المزايا لبيولوجيا النظم التجريبية وكذلك لتطبيق الإحصائي الكلاسيكيبالجمع.
أولا، حيث يتم استخراج جميع الكسور من عينة واحدة، والتغير بين مجموعات البيانات التجريبية المختلفة (الدهون، الأيض والبروتينات) بشكل ملحوظ منذ كل مجموعة البيانات مشتق من نفس قسامة العينة. وهذا يؤدي بوضوح إلى زيادة قابلية المقارنة للنتائج التي تم الحصول عليها.
ثانيا، طريقة قابلة للتطوير بسهولة ويجعلها متوافقة للغاية مع كميات عينة صغيرة إلى كبيرة. نحن نستخدم بشكل روتيني 10-100 ملغ من عينات الأنسجة، ولكن أجريت دراسات ليبيدوميك ناجحة أيضا على ما لا يقل عن 20 بذور أرابيدوبسيس 31 . خصوصا التوافق مع كميات عينة صغيرة يجعل هذه الطريقة قابلة للتطبيق إذا كميات محدودة من الأنسجة البيولوجية أو العينات المتاحة. ومع ذلك، حتى إذا كانت عينة كافية من المواد المتاحة، الطريقة المعروضة هنا يوفر ميزة الاستفادة من هذه العينات في عدد أكبر من مكررات تجريبية بدلا من شالغناء لهم إجراءات استخراج مختلفة. وهذا يسمح بتحليل بيانات إحصائية أفضل وصقل.
ثالثا، نظرا لأن الطريقة تقوم على تجزئة السائل السائل من الجزيئات القطبية وغير القطبية، فإنه يوفر، على النقيض من أساليب بسيطة على مرحلة واحدة استخراج ( مثل استخراج الميثانول) خطوة كبيرة دي تعقيد في الإجراء. هذه العينة كفاءة إزالة تعقيد يؤدي إلى تنقية جزئية من الكسور الفردية بسبب فصل الجزيئات المسببة كيميائيا من بعضها البعض. وبناء على ذلك، فإن عملية التقسيم الكيميائي لا توفر فقط ميزة عملية للتقسيم المنهجي للعينات المستخلصة في فئات كيميائية مختلفة، بل تحسن أيضا القياسات التحليلية الفردية، لأنها تزيل المركبات الملوثة من الكسور المختلفة. من الواضح، يمكننا أن نلاحظ أن خصوصا الدهون، والتي يتم تقسيمها إلى المرحلة العضوية والتي عادة ما تؤثر سلبا علىالتحليل الكروماتوغرافي للمركبات القطبية، سيكون غائبا تماما تقريبا من الجزء القطبي. وينطبق الشيء نفسه على تحليل الدهون مسعور، والتي سيتم استنفاد المركبات القطبية. إلى جانب تنقية المركبات القطبية وغير القطبية من بعضها البعض، ونحن استنفاد وجمع البروتينات وغيرها من الجزيئات الكلية من العينة، والتي لا توفر سوى جزء منفصل، والتي يمكن استخدامها للبروتين والنشا وتحليل جدار الخلية 16 ، ولكن أيضا يؤدي إلى عينة أنظف داخل الكسور الفردية. هذا هو أهمية خاصة، لأنه من المعروف أن وجود جزيئات كبيرة، يؤدي إلى تلف أو على الأقل أقصر عمر الأعمدة التحليلية.
وأخيرا وليس آخرا، فإن طريقة استخراج متب المذكورة، والتي تعتمد على أقل خطورة وأكثر ملاءمة المذيب استبدال الكلوروفورم 15 ، وقد أظهرت بالفعل من قبل العديد من الدراسات من مجموعتنا، لتكون على نطاق واسع أبلإيكابيليتي للعينات البيولوجية المختلفة من النباتات 16 ، الطحالب 17 ، 18 ، الذباب 19 ولكن أيضا العديد من الأنسجة الثدييات، أعضاء أو خلايا 20 ، 21 ، 22 .
The authors have nothing to disclose.
مس معتمدة من قبل منحة الدكتوراه كاملة من برنامج جيرلس-داد. نود أن نشكر الدكتور أندرو ويسنيوسكي لإثبات القراءة والتعليق على المخطوطة. ونحن ممتنون جدا لجميع أعضاء مختبر جيافاليسكو في معهد ماكس بلانك الفسيولوجيا النباتية الجزيئية، غولم، ألمانيا لمساعدتهم.
Reagents and standards | |||
Ampicillin | Sigma Aldrich | A9393-5G | Internal standard for metabolites |
Corticosterone | Sigma Aldrich | 27840-500MG | Internal standard for metabolites, HPLC grade |
13C Sorbitol | Sigma Aldrich | 605514 | Internal standard for metabolites, ISOTEC® Stable Isotopes |
1,2-diheptadecanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (17:0 PC) | Avanti Polar Lipids | 850360P | Internal standard for lipids |
Methanol (MeOH) | Biosolve Chemicals | 13684102 | ULC-MS grade |
Water | Biosolve Chemicals | 23214102 | ULC-MS grade |
Methyl tert-butyl ether (MTBE) | Biosolve Chemicals | 13890602 | HPLC grade |
Trypsin/Lys-C mix | Promega | V5072 | Enzymatic digestion of proteins |
Equipment | |||
Balance | Sartorius Corporation | 14 557 572 | |
Tissue grinding mixer mill | Retsch, Mixer Mill MM 300 | 20.746.0001 | |
Mortar and pestle | Sigma Aldrich | Z247464-1EA | |
Vortex mixer | Vortex-Genie 2, Model G560 | SI-0236 | |
Vacuum concentrator | Scan Speed Maxi Vac Alpha Evaporators | 7.008.500.002 | |
2 ml Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120094 | Used for sample extarction |
1.5 ml Safe-lock microcentrifuge tubes | Eppendorf | 30120086 | Used for fractions |
Shaker | Eppendorf Thermomixer 5436 | 2050-100-05 | |
Sonicator | USC 300 TH | 142-0084 | |
Refrigerated microcentrifuge | Eppendorf, model 5427R | 22620701 | |
UPLC system | Waters Acquity UPLC system (Waters, Machester, UK) | ||
MS system | Exactive, Orbitrap-type, MS (Exactive, Thermo-Fisher, Bremen, Germany). | ||
Reversed Phase (RP) Bridged Ethyl Hybrid (BEH) C8 column (100 mm×2.1 mm containing 1.7 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186002878 | Analysis of lipids |
RP High Strength Silica (HSS) T3 column (100 mm×2.1 mm containing 1.8 μm diameter particles) | Waters, Machester, UK | 186003539 | Analysis of metabolites |
Q ExactivePlus high resolution mass spectrometer connected to an EASY-nLC 1000 system | Thermo-Fisher, Bremen, Germany | Analysis of peptides |