Кіріспе
Липидомика – биологиялық жүйелердегі жасушалық липидтердің жолдары мен желілерін масштабты зерттеу саласы. "Липидом" термині жасуша, тіндер, организм немесе экожүйедегі толық липидтік профильді сипаттау үшін қолданылады және ол "метаболомның" бір бөлігі болып табылады, соның ішінде басқа маңызды биологиялық молекулалар да бар (мысалы, аминқышқылдар, қанттар, гликолиз және ТКЦ аралықтары, нуклеин қышқылдары). Липидомика – салыстырмалы түрде жаңа ғылыми сала, оның дамуына массалық спектрометрия (МС), ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы, флуоресценциялық спектроскопия, қос поляризациялық интерферометрия және есептеу әдістері сияқты технологиялардың қарқынды жетістіктері, сондай-ақ липидтердің семіздік, атеросклероз, инсульт, гипертония және диабет сияқты көптеген метаболикалық аурулардағы рөлінің анықталуы ықпал етті. Бұл жылдам дамып келе жатқан сала геномика мен протеомикадағы үлкен прогреске толықтыру жасап, жүйелік биологияның құрамына кіреді. Липидомикалық зерттеулер мыңдаған жасушалық липид молекулалық түрлерін және олардың басқа липидтермен, ақуыздармен және басқа метаболиттермен өзара әрекеттесуін анықтау және мөлшерлеуді қамтиды. Липидомика мамандары жасушалық липидтердің құрылымын, функцияларын, өзара әрекеттесуін және динамикасын, сондай-ақ жүйе бұзылған кезде болатын өзгерістерді зерттейді. Хан мен Гросс липид молекулалық түрлеріне тән ерекше химиялық қасиеттерді жан-жақты массалық спектрометриялық тәсілмен біріктіру арқылы липидомика саласын алғаш рет анықтады. Липидомика "метаболомика" саласының аясында болғанымен, липидтердің басқа метаболиттерден өзгешелігі мен функционалдық ерекшелігіне байланысты липидомика – жеке ғылыми тәртіп болып табылады. Липидомикалық зерттеулерде жасушаның физиологиялық немесе патологиялық жағдайы өзгерген кезде, оның бұзылуынан кейін әртүрлі липид молекулалық түрлерінің құрамы мен мөлшеріндегі кеңістіктік және уақытша өзгерістерді сандық сипаттауға қатысты мол ақпарат жинақталады. Бұл зерттеулерден алынған мәліметтер жасушалық функциядағы өзгерістердің механизмдерін түсінуге көмектеседі. Сондықтан липидомикалық зерттеулер жасушалық липид метаболизмінің, тасымалдануының және гомеостазының өзгеруін анықтау арқылы липидтерге байланысты ауру процестерінің биохимиялық механизмдерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Липидтерді зерттеуге назар аудару LIPID метаболиттері мен жолдары стратегиясының (LIPID MAPS консорциумы) және Еуропалық липидомика бастамасының (ELIfe) жобаларынан да көрінеді.
Липидтердің құрылымдық әртүрлілігі
Липидтер – әр түрлі және кең таралған қосылыстар тобы, олардың көптеген маңызды биологиялық функциялары бар, мысалы, жасуша мембраналарының құрылымдық компоненттері ретінде қызмет ету, энергия сақтау көздері болу және сигналдық жолдарға қатысу. Липидтер гидрофобты немесе амфипатиялық шағын молекулалар ретінде толық немесе ішінара екі түрлі биохимиялық кіші бірліктерден немесе "құрылыс блоктарынан" – кетоацил және изопрен топтарынан пайда болады. Липидтердегі үлкен құрылымдық әртүрлілік осы құрылыс блоктарының әртүрлі комбинацияларының биосинтезінен туындайды. Мысалы, глицерофосфолипидтер глицерол тірекшесінен тұрады, ол шамамен 10 мүмкін бас топтарының бірімен және 2 майлы ацил/алкил тізбегімен байланысқан, олар өз кезегінде 30 немесе одан да көп түрлі молекулалық құрылымға ие болуы мүмкін. Іс жүзінде, барлық мүмкін комбинациялар эксперименттік жағдайда анықталмайды, себебі тізбектердің жасуша типіне байланысты қалаулары және анықтау шектері бар. Дегенмен, сүтқоректілер жасушаларында бірнеше жүз түрлі глицерофосфолипид молекулалық түрлері анықталды. Өсімдік хлоропласттарының тилакоидтық мембраналары фосфолипидтердің жетіспеуіне байланысты ерекше липидтік құрамға ие. Сонымен қатар, олардың ең ірі құрамдас бөлігі – моногалактозил диглицериді немесе МГДГ сулы екі қабатты қалыптастырмайды. Бірақ, динамикалық зерттеулер тилакоидты мембраналарда липидтердің екі қабатты ұйымы қалыпты екенін көрсетеді.
huge structural diversity found in lipids arises from the biosynthesis of various combinations of these building blocks. For example, glycerophospholipids are composed of a glycerol backbone linked to one of approximately 10 possible headgroups and also to 2 fatty acyl/alkyl chains, which in turn may have 30 or more different molecular structures. In practice, not all possible permutations are detected experimentally, due to chain preferences depending on the cell type and also to detection limits nevertheless several hundred distinct glycerophospholipid molecular species have been detected in mammalian cells. Plant chloroplast thylakoid membranes however, have unique lipid composition as they are deficient in phospholipids. Also, their largest constituent, monogalactosyl diglyceride or MGDG, does not form aqueous bilayers. Nevertheless, dynamic studies reveal a normal lipid bilayer organisation in thylakoid membranes.
Липидтерді алу
Липидтерді биологиялық үлгілерден алу және оқшаулау әдістерінің көпшілігі органикалық еріткіштердегі көмірсутекті тізбектердің жоғары ерігіштігін пайдаланады. Липидтер кластарының әртүрлілігіне байланысты, барлық кластарды бірдей экстракция әдісімен қамту мүмкін емес. Дәстүрлі Блай/Дайер әдісі хлороформ/метанол негізіндегі протоколдарды қолданады, олар органикалық қабатқа фазалық бөлуді қамтиды. Дегенмен, қазір бірнеше протокол бар, жаңа әдістер ескілердің кемшіліктерін жойып, мысалы, нақты липидтерді оқшаулау немесе жоғары өнімді деректерді жинау сияқты мәселелерді шешеді. Көптеген протоколдар физиологиялық маңызы бар липидтердің кең ауқымы үшін жақсы жұмыс істейді, бірақ оларды ерекше қасиеттері бар, сирек кездесетін және тұрақсыз липид метаболиттеріне ие түрлерге бейімдеу қажет.
uses chloroform/methanol based protocols that include phase partitioning into the organic layer. However, several protocols now exist, with newer methods overcoming the shortcomings of older ones and solving problems associated with, for example, targeted lipid isolation or high throughput data collection Most protocols work relatively well for a variety of physiologically relevant lipids but they have to be adapted for species with particular properties and low abundance and labile lipid metabolites
.
Липидтерді бөлу
Липидтерді бөлудің ең қарапайым әдісі – жұқа қабатты хроматография (ТКХ) әдісі. Липидтерді анықтаудың басқа әдістерімен салыстырғанда сезімталдығы төмен болғанымен, бұл әдіс сезімтал және күрделі әдістерге көшу алдында жылдам және жан-жақты скрининг жасауға мүмкіндік береді. Қатты фазалық экстракциялық (SPE) хроматографиясы шикі липидтер қоспаларын әр түрлі липидтер кластарына жылдам және дайындықпен бөлуге пайдалы. Бұл глицерофосфолипидтерді, май қышқылдарын, холестерил эфирлерін, глицеролипидтерді және стерольдерді шикі липидтер қоспасынан бөлу үшін кремний қышқылы немесе басқа стационарлық фазалары бар алдын ала жиналған бағаналарды қолдануды қамтиды. Жоғары өнімді сұйық хроматографиясы (HPLC немесе LC) липидомикалық талдауда массалық талдаудан бұрын липидтерді бөлу үшін кеңінен қолданылады. Бөлуді қалыпты фазалық (NP) немесе кері фазалық (RP) HPLC арқылы жүзеге асыруға болады. Мысалы, NP HPLC глицерофосфолипидтерді бас тобының полярлығы бойынша тиімді бөліп алады, ал RP HPLC май қышқылдарын, мысалы, эйкозаноидтарды тізбек ұзындығы, қанықпау дәрежесі және алмасуы бойынша тиімді бөліп алады. Жалпы, мақсатсыз липидомикалық зерттеулер үшін липидомды кеңірек қамту үшін RP және NP немесе гидрофильді өзара әсерлесу сұйық хроматографиясы (HILC) бағаналарын қолдану жиі кездеседі. Нано ағынды сұйық хроматографиясының (nLC) қолданылуы жалпы өлшеу сезімталдығын және липидомды қамтуды жаһандық липидомикалық тәсіл үшін арттырудың ең тиімді жолы екені дәлелденді. Липидтерді хроматографиялық (HPLC/UHPLC) бөлу элюат массалық спектрометрдің иондау көзімен біріктірілген жағдайда офлайн немесе онлайн режимінде жүргізілуі мүмкін.
effectively separates fatty acids such as eicosanoids on the basis of chain length, degree of unsaturation and substitution. For global, untargeted lipidomic studies it is common to use both RP and NP or Hydrophilic Interaction Liquid Chromatrography (HILC) columns for increased lipidome coverage. The application of nano flow liquid chromatography (nLC) proved thereby to be most efficient to enhance both general measurement sensitivity and lipidome coverage for a global lipidomics approach. Chromatographic (HPLC/UHPLC) separation of lipids may either be performed offline or online where the eluate is integrated with the ionization source of a mass spectrometer.
Липидтерді анықтау
Қазіргі липидомиканың дамуы, жалпы спектрометриялық әдістердің және массалық спектрометрия үшін жұмсақ иондау техникаларының, әсіресе электроспрей иондау (ESI) және матрицалық көмекпен лазерлік десорбция/иондау (MALDI) техникаларының дамуының арқасында үлкен серпіліс жасады. "Жұмсақ" иондау кең ауқымды фрагментацияға себеп болмайды, сондықтан күрделі қоспадағы липидтердің толық спектрін анықтау эксперименттік жағдайларға немесе ауру жағдайына қатысты болуы мүмкін. Бұған қоса, атмосфералық қысымдағы химиялық иондау (APCI) әдісі полюсті емес липидтерді талдау үшін жиі қолданылатын техникаға айналды.
does not cause extensive fragmentation, so that comprehensive detection of an entire range of lipids within a complex mixture can be correlated to experimental conditions or disease state. In addition, the technique of atmospheric pressure chemical ionization (APCI) has become increasingly popular for the analysis of nonpolar lipids.
ESI-ның мүше мемлекеттері
ESI MS бастапқыда Фенн және оның әріптестері биомолекулаларды талдау үшін әзірлеген. Ол полярлы, термиялық тұрақсыз және көбінесе ұшпайтын молекулалардан газ тәрізді иондардың түзілуіне негізделген, сондықтан ол әртүрлі липидтерге толыққанды жарамды. Бұл – аналит массалық талдауға түсу алдында оның химиялық табиғатын сирек өзгертетін жұмсақ иондау әдісі. Биологиялық экстракттардан алынған әртүрлі класс, субкласс және жеке липид түрлерін талдау үшін әртүрлі ESI MS әдістері жасалған. Бұл әдістер мен олардың қолданылуына қатысты толық шолулар жақында жарияланды. ESI MS-дің басты артықшылықтары – жоғары дәлдік, сезімталдық, қайталанатындық және техниканың кез келген алдын ала өңдеусіз күрделі ерітінділерге қолданылу мүмкіндігі. Хан және оның әріптестері липидтердің ішкі электрлік қасиеттеріне негізделген ESI көзінде липидтерді ішкі көзден бөлуге арналған оңтайландырылған, шикі липид экстрактының тікелей инфузиясын қамтитын "липидомика" деп аталатын әдісті әзірледі.
DESI МС
DESI массалық спектрометриясы – профессор Золтан Такац және әріптестері Пердью университетінің профессоры Грэм Кук тобында әзірлеген амбиентті иондау техникасы. Бұл техника липидомикада тіндердегі липидтердің таралуын бейнелеуге арналған құрал ретінде сәтті қолданылды. DESI MS-тің артықшылықтарының бірі – тінді дайындау үшін матрица қажет болмайды, бұл бір тіндің үлгісінде бірнеше рет тікелей өлшеуді мүмкін етеді. DESI MS тіндердің кесінділерінен липидтерді бейнелеу үшін де қолданылуы мүмкін.
MALDI MS
MALDI массалық спектрометриясы – лазерлік, жұмсақ иондау әдісі, көбінесе үлкен ақуыздарды талдау үшін қолданылады, бірақ липидтерді талдау үшін де сәтті пайдаланылған. Липид 2,5 дигидроксибензой қышқылы сияқты матрицамен араластырылып, үлгі ұстағышына кішкентай дақ түрінде жағылады. Лазер осы даққа бағытталады, матрица энергияны сіңіріп алып, оны анализге береді, нәтижесінде молекула иондалады. MALDI Ұшу уақыты (MALDI TOF) масса-спектрометриясы липидомикалық зерттеулер үшін, әсіресе тіндердің кескіндерінен липидтерді бейнелеу үшін өте үміткер тәсілге айналды.
APCI МД
APCI-нің көзі ESI-ге ұқсас, бірақ иондар қыздырылған талдаулық заттың еріткіші мен жоғары электрлік потенциалда орналасқан короналық разряд инесінің өзара әрекеттесуі арқылы түзіледі. Негізгі иондар ине тікелей маңында пайда болады және олар еріткішпен әрекеттесіп, нәтижесінде үлгіні иондайтын екіншілік иондарды құрайды. APCI, әсіресе, триацилглицеролдар, стеролдар және май қышқылдарының эфирлері сияқты полярлығы төмен липидтерді талдау үшін өте пайдалы.
Суретке түсіру әдістері
DESI-дің липидтер диапазонындағы жоғары сезімталдығы оны тіндік үлгілердегі липидтердің мөлшерін анықтау және оның картасын шығару үшін тиімді әдіс етеді. MALDI әдістеріндегі соңғы жетістіктер липидтерді тікелей in situ анықтауға мүмкіндік берді. MALDI матрицасымен жабылған тіндік беткей бойынша тізбектелген спектрлер алынғанда, жұқа тіндік кесінділерін тікелей талдаудан липидтерге байланысты көптеген иондар пайда болады. Молекулалық иондардың соқтығысу арқылы белсендірілуі липидтер отбасын анықтауға және көбінесе молекулалық түрлердің құрылымын анықтауға қолданылуы мүмкін. Бұл әдістер жүрек, бүйрек және ми сияқты тіндерде фосфолипидтерді, сфинголипидтерді және глицеролипидтерді анықтауға мүмкіндік береді. Бұдан әрі, көптеген липид молекулалық түрлердің таралуы көбінесе осы тіндердегі анатомиялық аймақтарды анықтайды.
Липидтік профильдеу
Липидтік профильдеу – бұл жасуша немесе тіндердегі липид түрлерін жан-жақты талдауды қамтамасыз ететін мақсатты метаболомикалық платформа. Электрораспылағыш иондау тандемдік массалық спектрометрияға (ESI MS/MS) негізделген профильдеу сандық деректерді ұсынуға қабілетті және жоғары өнімділіктегі талдауларға бейімделеді. Ген өнімінің жойылуы және/немесе экспрессиясы липидомикамен біріктірілген трансгендік тәсілдердің қуатты әдісі биохимиялық жолдардың рөлі туралы құнды түсініктер береді. Липидтік профильдеу техникалары өсімдіктер мен ашытқы сияқты микроорганизмдерге де қолданылған. Хроматографиялық және МС деректерін жинау спектрлік сәйкестендіру және сигналдар қарқындылығының ауытқуларын статистикалық бағалау үшін айтарлықтай күш-жігерді қажет етеді. Мұндай өзгерістердің көптеген себептері бар, оның ішінде биологиялық өзгерістер, сынамаларды өңдеу және талдаудың дәлдігі. Сондықтан күрделі қоспалардағы липид деңгейін сенімді анықтау үшін әдетте бірнеше қайталамалар қажет. Соңғы жылдары әртүрлі компаниялар мен зерттеу топтары липидтерді қоса алғанда, метаболиттерді профильдеу арқылы алынған деректерді талдау үшін бірқатар бағдарламалық пакеттерді әзірледі. Дифференциалдық профильдеу үшін деректерді өңдеу әдетте бірнеше кезеңнен өтеді, оның ішінде кіріс файлдарын өңдеу, спектрлік сүзгілеу, шыңдарды анықтау, хроматографиялық сәйкестендіру, нормалау, визуализация және деректерді экспорттау. Метаболиттік профильдеу бағдарламалық құралының мысалы – Java негізіндегі Mzmine қосымшасы. Тағы бірі – Metabolon, Inc. компаниясының меншікті бағдарламалық құралды пайдалана отырып, метаболомиялық талдауға арналған коммерциялық қосымшалары. Жақында MS DIAL 4 бағдарламалық құралы 117 липид субкласс және 8051 липид үшін сақталу уақыты, соқтығысу қимасы және тандемдік массалық спектрометриялық ақпаратпен толыққанды липидомдық атласпен біріктірілді. Markerview сияқты кейбір бағдарламалық пакеттерге көпөлшемді статистикалық талдау (мысалы, бас компоненттік талдау) кіреді және олар физиологиялық фенотиппен байланысты липид метаболиттеріндегі корреляцияларды анықтауға, әсіресе липидтік биомаркерлерді әзірлеуге көмектеседі. Липидомиканың ақпараттық технологиялық жағының тағы бір мақсаты липидтік құрылымдар және липидтермен байланысты белоктар мен гендер туралы деректерден метаболикалық карталарды құруды қамтиды. Бұл липидтік жолдардың кейбіреулері өте күрделі, мысалы сүтқоректілердің гликосфинголипидтік жолы. Липидтер мен липидтермен байланысты гендер/белоктар туралы іздеуге және өзара әрекеттесуге болатын деректер базасын құру липидомика қауымдастығы үшін маңызды анықтамалық ресурс болып табылады. Бұл деректер базаларын МС және басқа эксперименттік деректермен, сондай-ақ метаболикалық желілермен интеграциялау липидтік процестердің бұзылуымен байланысты патологиялық жағдайларды болдырмау немесе кері қайтару үшін терапиялық стратегияларды әзірлеуге мүмкіндік береді.