הכנת דוגמאות זחל דרוזופילה עבור גז כרומטוגרפיה-ספקטרומטריית (GC-MS)-מבוסס מטבולומיקס
Summary
פרוטוקול זה מתאר כיצד להתכונן הרימות דרוזופילה metabolomic GC-MS מבוססי ניתוח.
Abstract
ההתקדמות בתחום גליקומיקס הקימו זבוב הפירות דרוזופילה melanogaster כמודל גנטי רב עוצמה עבור הלומדים חילוף החומרים בעלי חיים. על ידי שילוב המערך העצום של כלים גנטיים דרוזופילה עם היכולת סקר כ”שטח נוף פתוח של חילוף החומרים מתווך, בגישה גליקומיקס יכול לחשוף לאינטרקציות מורכבות בין דיאטה, גנוטיפ, אירועי חיים-היסטוריה רמזים סביבתיים. בנוסף, מחקרים גליקומיקס ניתן לגלות מנגנונים אנזימטי הרומן, לחשוף קשרים ידועים בין מסלולים מטבוליים שונים לכאורה. על מנת להקל על השימוש הנרחב יותר של טכנולוגיה זו בקרב הקהילה דרוזופילה , כאן אנחנו מספקים. פרוטוקול מפורט המתאר כיצד להתכונן דגימות זחל דרוזופילה ספקטרומטריית גז כרומטוגרפיה (GC-MS)- metabolomic המבוססת על ניתוח. פרוטוקול שלנו כולל תיאורים של איסוף הדגימה זחל, מטבוליט החילוץ, derivatization כימי וניתוח GC-MS. סיומו המוצלח של פרוטוקול זה יאפשר למשתמשים למדוד את השפע היחסי של מטבוליטים קוטב קטנים, כולל חומצות אמינו, סוכרים, חומצות אורגניות מעורב גליקוליזה את מחזורי TCA.
Introduction
זבוב הפירות דרוזופילה melanogaster התפתחה מערכת אידיאלי ללמוד את מנגנון מולקולרי שבו לווסת את חילוף החומרים מתווך. לא רק מסלולים מטבוליים רוב נשמרים דרוזופילה בין בני אדם, אלא מפתח חיישנים התזונתיים ואת הרגולטורים הצמיחה, כגון אינסולין, טור myc, פעילים גם לעוף1,2. כתוצאה מכך, דרוזופילה יכול לשמש כדי לחקור את הבסיס מטבולית של מחלות האדם ועד סוכרת והשמנה הקשורים ניוון מוחיים וסרטן. בהקשר זה, התפתחות הזחל דרוזופילה מספק את המסגרת אידיאלי שבו ללמוד תוכנית מטבולית גליקוליזה אירובי, או ורבורג. בדיוק כמו גידולים רבים להשתמש גליקוליזה אירובי כדי לייצר ביומסה של פחמימות, אז לעשות דרוזופילה הזחלים להפעיל גליקוליזה אירובי כדי לקדם צמיחה התפתחותית-3,–4,–5. אלה קווי דמיון בין זחל ואת חילוף החומרים הגידול להקים דרוזופילה כמו דוגמנית מפתח להבנה כיצד אירובי גליקוליזה הוא מוסדר ויוו.
למרות העובדה כי הזבוב התפתחה כמודל פופולרי עבור הלומדים את חילוף החומרים, רוב המחקרים דרוזופילה להסתמך על שיטות שנועדו למדוד מטבוליטים בודדים3, כגון טרהלוז, טריגליצרידים או ATP. מאז פרוטוקול מסוים נדרש כדי למדוד כל מטבוליט, מחקרים מבוססי assay הם עתירי עבודה, יקר, מוטה לכיוון את התרכובות הללו, שניתן למדידה באמצעות ערכות מסחריות. פתרון מגבלות אלה התפתחה מן התחום גליקומיקס, אשר מספק אמצעים יותר יעיל, לא משוחד של הלומדים דרוזופילה חילוף החומרים. בניגוד מחקר מבוסס-assay, ניתוח metabolomic יחיד יכול בו זמנית של מולקולה קטנה מטבוליטים מאות וכולן מספקות והיכרות מעמיקה של אורגניזם מצב מטבולי6,7. טכניקה זו התרחב באופן משמעותי את היקף לימודי מטבולית דרוזופילה ומייצג את העתיד של שדה המתעוררים זה8.
Metabolomic הלימודים מתנהלים בעיקר באמצעות שלוש טכנולוגיות: (i) תהודה מגנטית גרעינית (NMR), כרומטוגרפיה נוזלית (ii) מסות (LC-MS) ו- (iii) גז כרומטוגרפיה-ספקטרומטריית (GC-MS)9. בכל אחת מהגישות מציע יתרונות וחסרונות, ו כל הטכנולוגיות האלה שימשו ללמוד בהצלחה דרוזופילה חילוף החומרים. מאז המחקרים שנערכו במעבדה שלנו מתמקדת מטבוליטים קטן, קוטב, אנו מעסיקים בעיקר בשיטה מבוססת-GC-MS. GC-MS מספק למשתמש עם מספר רב של יתרונות, כולל הפארמצבטית גבוהה, שיא רזולוציה, רגישות, וגילה הזמינות של ספרייה ספקטרלי ההשפעה (EI) אלקטרון רגיל, המאפשר זיהוי מהיר של חילוף החומרים תכונות10,11. ההכנה של דגימות GC-MS, אולם, היא מורכבת למדי, דורש את תשומת לב רבה לפרטים. דוגמאות חייב להיות שנאספו, שטף, שקל, קפוא באופן במהירות המרווה תגובות חילוף החומרים. יתר על כן, הגופה לטוס עמיד בפני פרוטוקולים סטנדרטיים המגון ודורש טחנה חרוז כדי להבטיח מיצוי מטבוליט אופטימלית. לבסוף, דגימות נותחו על ידי GC-MS חייב לעבור derivatization כימי לפני זיהוי12. בעוד שיטות שפורסמו בעבר לתאר כל אלה13,3,השלבים14, פרוטוקול חזותי אשר יאפשרו למשתמש המתחיל להפיק reproducibly נתוני איכות גבוהה עדיין נדרשת. כאן נדגים כיצד להתכונן גליקומיקס GC-MS מבוססי ניתוח דגימות זחל דרוזופילה . פרוטוקול זה מאפשר למשתמש למדוד רבים של מטבוליטים קוטב קטנים שמרכיבים פחמן מרכזי חילוף החומרים reproducibly.
Protocol
Representative Results
Discussion
גליקומיקס מספק הזדמנות ללא תחרות סקר את תגובות חילוף החומרים שמרכיבים את חילוף החומרים מתווך. הרגישות של טכנולוגיה זו, מעבד עם זאת, נתונים רגישים הרקע הגנטי, רמזים התפתחותית, ומגוון של לחצים סביבתיים, לרבות טמפרטורה, לחות, צפיפות אוכלוסין וזמינות חומר מזין. לכן, גבוהה איכות, לשחזור גליקומי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תודה לחברים של המתקן ספקטרוסקופיית מסה אוניברסיטת אינדיאנה, המתקן הליבה גליקומיקס אוניברסיטת יוטה לעזרה בארגון אופטימיזציה של פרוטוקול זה. J.M.T. נתמך על ידי הלאומית המכון כללי רפואי למדעים של מכוני הבריאות הלאומיים תחת פרס מספר R35GM119557.
Materials
| Unsulfured blackstrap molasses | Good Food, INC | ||
| Drosophila Agar Type II | Genesee Scientific | 66-103 | |
| Pyridine | EMD Millipore | PX2012-7 | |
| Methoxyamine hydrocholoride (MOX) | MP Biomedicals, LLC | 155405 | |
| MSTFA with 1% trimethylchlorosilane | Sigma | 69478 | |
| Fleischmann’s Active dry yeast | AB Mauri Food Inc | 2192 | |
| 6oz Drosophila stock bottle | Genesee Scientific | 32-130 | |
| Soft tissue homogenizing mix (2 mL tubes) | Omni International | SKU:19-627 | |
| Vial insert, 250 µL deactivated glass with polymer feet | Agilent | 5181-8872 | |
| Succinic acid-2,2,3,3-d4 | Sigma | 293075 | |
| SpeedVac | Thermo | SC210A | |
| o-Phosphoric acid | Fisher Scientific | A242-1 | |
| Propionic acid | Sigma | P5561 | |
| p-Hydroxy benzoic acid methyl ester | Genesee Scientific | 20-258 | |
| Bead Ruptor | Omni International | SKU:19-040E | |
| ThermoMixer F1.5 | Eppendorf | 5384000012 | |
| MultiTherm Shaker with a 24 X 12 mm block | Benchmark Scientific | H5000 | |
| Methanol | Sigma | 34860 | |
| 1.5 mL centrifuge tube | Eppendorf | 22364111 | |
| Falcon 35 X 10 mm tissue culture dish | Corning Incorporated | 353001 | |
| GC column | Phenomex | ZB-5MSi |
References
- Owusu-Ansah, E., Perrimon, N. Modeling metabolic homeostasis and nutrient sensing in Drosophila: implications for aging and metabolic diseases. Disease Models & Mechanisms. 7 (3), 343-350 (2014).
- Sieber, M. H., Spradling, A. C. The role of metabolic states in development and disease. Current Opinion in Genetics & Development. 45, 58-68 (2017).
- Tennessen, J. M., Barry, W. E., Cox, J., Thummel, C. S. Methods for studying metabolism in Drosophila. Methods. 68 (1), 105-115 (2014).
- Li, H., et al. Drosophila larvae synthesize the putative oncometabolite L-2-hydroxyglutarate during normal developmental growth. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (6), 1353-1358 (2017).
- Tennessen, J. M., Baker, K. D., Lam, G., Evans, J., Thummel, C. S. The Drosophila Estrogen-Related Receptor Directs a Metabolic Switch that Supports Developmental Growth. Cell Metabolism. 13 (2), 139-148 (2011).
- Nicholson, J. K., Lindon, J. C., Holmes, E. Metabonomics’: understanding the metabolic responses of living systems to pathophysiological stimuli via multivariate statistical analysis of biological NMR spectroscopic data. Xenobiotica. 29 (11), 1181-1189 (1999).
- Fiehn, O. Metabolomics – the link between genotypes and phenotypes. Plant Molecular Biology. 48 (1-2), 155-171 (2002).
- Cox, J. E., Thummel, C. S., Tennessen, J. M. Metabolomic Studies in Drosophila. Genetics. 206 (3), 1169-1185 (2017).
- Lenz, E. M., Wilson, I. D. Analytical strategies in metabonomics. Journal of Proteome Research. 6 (2), 443-458 (2007).
- Pasikanti, K. K., Ho, P. C., Chan, E. C. Y. Gas chromatography/mass spectrometry in metabolic profiling of biological fluids. Journal of Chromatography B-Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences. 871 (2), 202-211 (2008).
- Want, E. J., Nordstrom, A., Morita, H., Siuzdak, G. From exogenous to endogenous: The inevitable imprint of mass spectrometry in metabolomics. Journal of Proteome Research. 6 (2), 459-468 (2007).
- Garcia, A., Barbas, C., Metz, T. O. . Metabolic Profiling: Methods and Protocols Vol. 708 Methods in Molecular Biology. , 191-204 (2011).
- Chan, E. C. Y., Pasikanti, K. K., Nicholson, J. K. Global urinary metabolic profiling procedures using gas chromatography-mass spectrometry. Nature Protocols. 6 (10), 1483-1499 (2011).
- Dunn, W. B., et al. Procedures for large-scale metabolic profiling of serum and plasma using gas chromatography and liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Nature Protocols. 6 (7), 1060-1083 (2011).
- Ashburner, M. . Drosophila: A Laboratory Manual. , 171-178 (1989).
- Biyasheva, A., Do, T. V., Lu, Y., Vaskova, M., Andres, A. J. Glue secretion in the Drosophila salivary gland: a model for steroid-regulated exocytosis. Developmental Biology. 231 (1), 234-251 (2001).
- Lommen, A. MetAlign: Interface-driven, versatile metabolomics tool for hyphenated full-scan mass spectrometry data preprocessing. Analytical Chemistry. 81 (8), 3079-3086 (2009).
- Xia, J., Wishart, D. S. Using MetaboAnalyst 3.0 for comprehensive metabolomics data analysis. Current Protocols in Bioinformatics. 55, (2016).
- Xia, J., Sinelnikov, I. V., Han, B., Wishart, D. S. MetaboAnalyst 3.0-making metabolomics more meaningful. Nucleic Acids Research. 43 (W1), W251-W257 (2015).
- Lommen, A. Data (pre-)processing of nominal and accurate mass LC-MS or GC-MS data using MetAlign. Methods in Molecular Biology. 860, 229-253 (2012).
- Xia, J., Wishart, D. S. Using MetaboAnalyst 3.0 for comprehensive metabolomics data analysis. Current Protocols in Bioinformatics. 55, (2016).
- Xia, J., Wishart, D. S. Web-based inference of biological patterns, functions and pathways from metabolomic data using MetaboAnalyst. Nature Protocols. 6 (6), 743-760 (2011).
- Li, H., Tennessen, J. M. Methods for studying the metabolic basis of Drosophila development. Wiley Interdisciplinary Reviews Developmental Biology. 6 (5), (2017).
