基于离子淌度质谱的甾醇组学技术描绘小鼠甾醇分布脑图谱

近日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心朱正江研究员（点击查看介绍）课题组在Nature Communications杂志在线发表研究论文，首次发展了基于离子淌度质谱的四维甾醇组学技术，并以小鼠的10个功能性脑区为切入点揭示了甾醇代谢在空间分布和衰老过程中的代谢特征，首次描绘了小鼠甾醇组分布脑谱图。朱正江课题组博士生李彤洲是论文的第一作者，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心为第一单位。

离子淌度质谱（Ion Mobility-Mass Spectrometry）是一类能够根据分析物离子的尺寸、形状和电荷进行气相分离和检测的质谱技术，一次分析能够同时提供多个维度信息，包括精确质量数（MS1）、二级碎片谱图（MS/MS）和碰撞截面积（CCS）数据等，有效提升对复杂生物样品代谢组的定性和定量分析能力。朱正江课题组一直致力于发展基于离子淌度质谱的代谢组学和脂质组学技术。2016年，课题组首次发展了机器学习算法来计算代谢物的碰撞截面积（Anal. Chem., 2016, 88, 11084-1109），开发了代谢物碰撞截面积数据库MetCCS应用于代谢组学研究（Bioinformatics, 2017, 33, 2235-2237; Curr. Opin. Chem. Biol., 2018, 42, 34-41）。2020年，课题组再次开发了世界上最大的小分子碰撞截面积数据库（AllCCS），并发展了基于离子淌度质谱的多维代谢组学技术（Nat. Commun., 2020, 11, 4334）。针对脂质的结构特点，课题组同时发展了基于脂质分子的碰撞截面积计算方法LipidCCS（Anal. Chem., 2017, 89, 9559–9566）和四维脂质组学技术LipidIMMS（Bioinformatics, 2019, 35, 698-700; TrAC Trends Anal. Chem., 2019, 116, 332-339）。2020年，课题组又开发了脂质四维一体数据库检索和碎片三步规则的精细化注释策略，进一步提升四维脂质组学分析的精确度（Anal. Chim. Acta., 2020, 1136, 115-124）。

甾醇是一类参与构建生物膜、行使信号传导和维持能量稳态的特殊脂质代谢物，其代谢异常与多种疾病如癌症和神经退行性疾病等密切相关。甾醇组的全面分析需要应对多个挑战，如标准品缺乏、质谱分析离子化效率低、丰度低和同分异构体多等，所以常规脂质组学技术难以全面且准确地进行甾醇组分析。朱正江课题组基于这些挑战发展了基于离子淌度质谱的甾醇组学分析技术，该技术具有3个主要优势：第一，此方法结合了衍生化和离子淌度分离提升了甾醇同分异体结构分离度，结合了液相色谱和离子淌度质谱实现了更好的二维分离；第二，此方法构建了基于机器学习的预测模型并总结了甾醇分子质谱碎裂规律，建立了包含2068种甾醇的四维信息数据库；第三，此方法基于甾醇四维数据库和优化的四维匹配算法，可以对样品内的甾醇进行高准确、多层次的鉴定和定量分析。

图1. 基于离子淌度质谱的四维甾醇组学技术。图片来源：Nat. Commun.

哺乳动物的脑组织富含胆固醇，所以甾醇代谢的失调与大脑的衰老和神经退行性疾病密切相关。该工作首先对6周小鼠的10个功能性脑区进行了甾醇组学全面定性和定量分析，发现了小鼠脑内含有197种不同的甾醇分子，通过多脑区的甾醇聚类分析表征了5个不同的甾醇亚类在10个脑区的分布差异。该工作重点发现了食物摄入性来源的植物性甾醇可以在脑桥和延髓高度富集，反映了脑区甾醇代谢的空间分布差异性。该工作还将甾醇组学分析拓展到小鼠脑衰老背景下进行时间序列分析。通过对比分析6周和68周小鼠的不同脑区甾醇的变化，该工作发现了受到衰老影响产生的甾醇代谢变化在变化数目、变化幅度等方面都存在脑区特异性。进一步解析年龄相关的甾醇代谢共调节网络清楚地展现了甾醇代谢受到衰老影响的双向性和脑区独特性。

图2. 小鼠功能脑区的甾醇组鉴定和定量分析。图片来源：Nat. Commun.

最后，为了方便生命科学领域研究者共同探索脑内甾醇代谢的分布和含量，课题组还搭建了一个BrainSterolAtlas网站 ^[1]，用户可以在线可视化浏览和下载不同脑区甾醇数据。该工作的甾醇分析方法已经申请了国家发明专利，Sterol4DAnalyzer软件申请了国家软件著作权的保护，进一步的商业用途需要联系朱正江研究员进行授权使用。

该工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等的大力资助。

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）：

Ion mobility-based sterolomics reveals spatially and temporally distinctive sterol lipids in the mouse brain

Tongzhou Li, Yandong Yin, Zhiwei Zhou, Jiaqian Qiu, Wenbin Liu, Xueting Zhang, Kaiwen He, Yuping Cai & Zheng-Jiang Zhu 

Nat. Commun., 2021, 12, 4343, DOI: 10.1038/s41467-021-24672-x

导师介绍

朱正江，现任中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心研究员、课题组长，获基金委优秀青年基金项目和海外高层次人才计划（青年项目）等项目支持。2006年本科毕业于南京大学，2011年博士毕业于美国马萨诸塞大学阿默斯特分校 (UMass-Amherst)，2011-2013年曾在美国加州斯克利普斯研究所从事博士后研究，2013年底回国加入中科院。有超过15年从事质谱技术和代谢组学研究的经历，已在Nature Communications、Nature Chemistry、eLife、Analytical Chemistry等国际学术期刊上发表60余篇论文，引用超过5000次，H-index 36；独立研究工作共获批软件著作权14项和发明专利4项。课题组发展的多项代谢组学和脂质组学软件和数据库，如MetDNA、AllCCS、MetFlow、LipidIMMS等在国内外受到了广泛关注和使用。课题组主要发展基于质谱的代谢组学技术和复杂疾病的代谢调控机理研究，特别关注衰老和衰老相关的神经退行性疾病。

详细见课题组网页链接：

http://www.zhulab.cn/ 

https://www.x-mol.com/university/faculty/209686 

朱正江研究员目前兼任中国生物物理协会代谢组学分会秘书长、中国质谱学会理事、中国细胞生物学细胞代谢分会理事和中国药理学会分析药理分会理事等；同时兼任Frontiers in Molecular Biosciences杂志代谢组学副主编，Nature 出版社Communications Biology和Genomics, Proteomics & Bioinformatics（GPB）等杂志编委。

参考资源：

1. BrainSterolAtlas网站

http://mousebrainatlas.zhulab.cn/