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武汉大学质谱研究团队:新型可见光诱导环加成反应实现脂质双键的精确定位

脂质结构的多样性赋予了其重要的生物学功能,明确脂质化合物的化学结构,对于揭示其在疾病的发生和发展过程中的分子作用机制和途径,具有重要的意义。目前结构脂质组学研究面临的最大难题,是对脂质异构体中的双键位置、双键的顺反异构和支链位置异构等信息进行准确的鉴定。质谱作为脂质组学最重要的研究手段之一,在脂质双键异构体的鉴定方面却面临着极大的挑战。这主要是因为在传统的脂质组学质谱分析中,所采用的碰撞诱导解离技术,无法使目标物在C=C键处断裂产生与其位置相关的特征离子。为了解决这个难题,研究者不断尝试开发不同的双键化学衍生方法。其中,紫外光化学反应衍生因为反应速度快、易产生特征离子,是目前的主流方法。然而,紫外光对健康存在潜在的危害,而且在复杂体系衍生时容易产生不可预知的副反应,增加生物样品分析的复杂性。因此,如果能够开发出温和的可见光激发双键衍生方法,将会具有重要的优势。


武汉大学陈素明教授(点击查看介绍)课题组在可见光化学反应及其质谱分析和应用方面具有较好的研究基础(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 128, 9491),近期他们开发出了一种新型可见光诱导的C=O键和C=C键的[2+2]环加成反应,并将其用于脂质中双键的衍生和质谱分析,成功实现了复杂生物体系中脂质双键异构体的全面分析和精确鉴定。这一成果发表在化学预印本网站ChemRxiv[1]Chemical Science  杂志[2]上。


羰基化合物与烯烃可以在紫外光诱导下发生环加成反应,生成含氧杂环丁烷结构的产物(Paternò-Büchi反应)。然而到目前为止,对于这种C=O和C=C的[2+2]光环加成反应,激发光几乎全部限制于紫外光区域。作者设想,如果使用具有较长吸收波长的羰基底物,有可能在可见光激发下就可以进行反应。通过筛选和比较不同的含羰基化合物,他们发现具有多环共轭结构的醌类化合物(如蒽醌、菲醌等)可以被可见光激发高效地与不饱和脂质中的双键反应,形成含氧杂环丁烷结构的[2+2]环加成产物(图1)。而且,该产物可以在质谱碰撞诱导解离条件下形成指示C=C键位置的特征碎片离子,从而实现了不饱和脂质中双键异构体的精确鉴定。

图1. 可见光诱导下蒽醌与脂质双键的[2+2]环加成反应及双键精确定位示意图。图片来源:Chemical Science


通过作者进一步的研究发现,该可见光诱导的环加成反应普适性非常好,对于常见的不同类型的脂质双键均具有较高的反应活性。结合质谱碰撞诱导解离方法,实现了对脂肪酸、磷脂、甘油三酯等不同类型的单不饱和及多不饱和脂质双键异构体的准确分析(图2)。而且,该方法还可以实现不饱和脂质异构体的定量分析,对于双键位置异构的脂质可以进行异构体比例的精确定量(图3)。

图2. 利用该方法实现了对脂肪酸、甘油三脂、磷脂等脂质化合物中双键的鉴定分析。图片来源:Chemical Science


图3. 该方法实现了不饱和脂质异构体的高灵敏绝对定量和相对定量。图片来源:Chemical Science


基于该可见光诱导的环加成反应和液相色谱-质谱联用技术,他们还以血清为例,建立了复杂生物样品中脂质双键异构体的全面分析和鉴定方案(图4),成功鉴定出了86个具有精确双键位置信息的脂质异构体。值得一提的是,该方法对于多不饱和脂质的鉴定具有非常好的兼容性,他们在血清中还精确解析出了含有多达6个不饱和双键的复杂脂质异构体,例如PC 16:0_22:6 (4, 7, 10, 13, 16, 19)、FA 22:6 (4, 7, 10, 13, 16, 19)、TG 18:0_18:1 (9)_20:4 (5, 8, 11, 14)等。

图4. 复杂生物样品中脂质双键异构体全面分析流程以及多不饱和脂质异构体PC38:6的鉴定。图片来源:Chemical Science


综上所述,这项研究突破了传统的羰基与烯烃[2+2]光环加成反应中紫外激发光的限制,将其成功的拓展到了可见光区,并利用该反应结合质谱建立了生物样品中脂质双键异构体鉴定新方法。该方法操作简单,使用价格低廉的可见光LED激光器就可以引发光化学反应,减少了衍生过程中的副反应,并且能与液质联用分析很好的兼容,为脂质异构体的分析提供了新的途径,有望在结构脂质组学以及其生物医学应用中发挥重要的作用。


该论文的第一作者为武汉大学高等研究院的冯桂芳博士,通讯作者为武汉大学高等研究院的陈素明教授。


1. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Visible-Light Activated [2+2] Photocycloaddition Reaction Enabled Identification of Carbon-Carbon Double Bonds Position Isomerism in Structural Lipidomics

Guifang Feng, Yanhong Hao, Liang Wu, Suming Chen*

ChemRxiv., 2020. DOI: 10.26434/chemrxiv.11813475.v1


2. 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Visible-Light Activated [2+2] Cycloaddition Reaction Enables Pinpointing Carbon-Carbon Double Bonds in Lipids

Guifang Feng, Yanhong Hao, Liang Wu, Suming Chen*

Chem. Sci., 2020, DOI: 10.1039/D0SC01149E


陈素明教授简介


陈素明,博士,武汉大学高等研究院教授,博士生导师,国家人才计划专家。主要从事化学与生物质谱方面的研究。博士毕业于中国科学院化学研究所,先后在美国俄亥俄州立大学、约翰∙霍普金斯大学从事博士后研究工作。已发表SCI论文40余篇,引用1400余次。其中以第一/通信作者身份在Nature Nanotechnology、Science Advances、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Chemical Science等著名期刊发表多篇研究论文,单篇研究论文SCI他引超过200次。研究成果曾被自然∙纳米技术、英国每日邮报、BBC等媒体广泛评论与报道,并接受英国BBC的在线专访。目前课题组正招聘化学及生物学专业的博士后、研究生和研究助理,欢迎申请,待遇优厚!

联系邮箱:chensm@iccas.ac.cn


陈素明

https://www.x-mol.com/university/faculty/66018

课题组网站

https://www.labxing.com/chen


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