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武汉大学陈素明课题组实现不饱和脂质双键异构全维度分析

近日,武汉大学高等研究院陈素明教授(点击查看介绍)课题组在Nature Communications (《自然•通讯》)发表研究论文,报道了他们在化学驱动的深度质谱分析方面的最新研究成果。该研究利用双功能化学反应体系和色谱-质谱联用技术,解决了长期以来不饱和脂质双键顺反异构大规模分析鉴定的难题,进而实现了脂质双键异构的全维度分析,为研究脂质异构体的生物功能提供了重要的分析方法。论文发表后,即被Nature Communications 选为领域内的“Featured Articles”。


脂质是一类重要的生物分子,在生命活动中扮演着重要的角色,其生物功能的正常发挥在很大程度上取决于它的化学结构。不饱和脂质是在脂质分子中的脂肪链上含有碳碳不饱和双键(C=C)的脂质亚类,正是由于C=C键的存在,让不饱和脂质产生了大量的同分异构体,包括C=C键在脂肪链上的位置异构和C=C键的顺反异构。因此,结构的多样性也赋予了不饱和脂质在生物体系中的特殊生物功能。例如,C=C键位置异构体的比例失调已经被证实与某些癌症的发生发展密切相关,而双键的立体构型同样具有重要的生物学意义。在真核生物体内,内源性的不饱和脂质以顺式结构为主,反式的脂质如反式脂肪酸等被认为是对健康有害的,与多种疾病的发生有关。然而,反式脂质却是很多细菌的膜的重要成分,尤其是革兰氏阴性菌。脂质顺反异构的转化可以改变膜的相变温度、刚性和通透性等,是细菌面对外界环境改变而自我保护的关键机制,细菌的耐药机理就有可能与此有关。因此,如果能够在确定双键位置异构的基础上,进一步实现顺反异构的鉴定和分析,就有可能深入研究脂质双键异构与生物功能之间的关系。然而,目前还没有能够在组学水平上同时对脂质双键位置和顺反异构进行全维度分析的研究方法。


鉴于上述脂质双键异构体分析的难题,他们开发了一种可见光激发的光环化-光异构化双功能反应体系,结合液相色谱-质谱联用技术,首次在组学水平上实现了不饱和脂质双键位置异构和顺反异构的同时分析(图1)。他们发现,在光催化剂Ir[dFppy]2(dtbbpy)PF6存在下,可见光照射时,苯甲酰甲酸甲酯(Methyl Benzoylformate)可以通过催化剂的三线态能量转移被激发到三重激发态。随后,其上的羰基与不饱和脂质上双键发生[2+2]环加成反应,生成双自由基中间态。该中间态会经历两个反应历程,其一是生成氧杂环丁烷结构的产物。利用该光环加成产物结合质谱碰撞诱导解离,可以实现双键位置的鉴定。更重要的是,该碳中心自由基还会发生β-裂解并导致烯烃异构化,生成双键构型翻转的产物,即顺式和反式构型可以发生互相转化。而生成的顺式或反式光异构化产物在色谱上与其反应物相比,具有不同的保留行为。反式产物比顺式反应物的保留时间更长,会在其右边出现新的色谱峰;而顺式产物的保留时间比反式反应物短,会在其左边出现新的色谱峰;且顺式转化为反式的产率要远远大于反式转顺式的产率。据此特异性,可以为不饱和脂质顺反异构体引入第二维度的身份标签,实现其可靠的鉴定分析。基于这种新的分析策略,他们建立了复杂生物体系中不饱和脂质双键异构的全维度分析方案。

图1. 利用可见光催化双功能反应体系实现脂质双键异构体分析示意图


基于这种全新的分析手段,他们以植物的病原菌和内源菌为研究对象,第一次实现了组学层面上细菌的脂质双键异构体的全面分析。共鉴定出309个脂质分子,其中多达133个不饱和脂质实现了深度的双键异构精确鉴定。通过全面比较不同细菌中反式异构体和顺式异构体的比例(图2),发现了每种细菌独特的脂质异构指纹谱,揭示了细菌中特有的高比例反式脂质成分及其亚类分布规律,为进一步研究不饱和脂质异构体的生物功能奠定了基础。

图2. 细菌中反式与顺式脂质比例热图


此外,他们还利用开发的不饱和脂质异构体分析方法,对小鼠脑缺血及其再灌注恢复过程中的脂质异构体比例进行了定量分析(图3)。首次发现脑缺血会导致脂肪酸(FA)和磷脂酰乙醇胺(PE)双键在9位和11位以及双键在11位和13位的异构体比例发生显著性变化,而再灌注恢复过程会使其得到显著改善。说明C=C位置异构体的生物合成受到了脑缺血的显著影响,再灌注过程可使其得到改善,可能与这些过程中不饱和脂类的代谢重编程有关。

图3. 小鼠脑缺血及再灌注过程中脂质双键位置异构体的比例变化


该论文的第一作者为课题组的冯桂芳博士,陈素明教授为论文的独立通讯作者,武汉大学高等研究院为论文的第一署名单位。该研究得到了多位不同领域合作者的重要支持。其中,武汉大学化学与分子科学学院的戚孝天教授提供了计算化学方面的支持,武汉大学高等研究院的胥国勇教授提供了细菌的生物样本,华中科技大学附属协和医院的林云教授为研究提供了脑缺血的动物模型,武汉大学高等研究院的陈宜鸿教授提供了气相色谱-质谱分析方面的支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、武汉大学科研启动基金等项目以及武汉大学超算中心的支持。


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):

Dual-resolving of positional and geometric isomers of C=C bonds via bifunctional photocycloaddition-photoisomerization reaction system

Guifang Feng, Ming Gao, Liwei Wang, Jiayi Chen, Menglu Hou, Qiongqiong Wan, Yun Lin, Guoyong Xu, Xiaotian Qi, Suming Chen*

Nat. Commun., 202213, 2652, DOI: 10.1038/s41467-022-30249-z


导师介绍


陈素明,武汉大学高等研究院教授,博士生导师,国家高层次人才计划青年项目入选者。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∙霍普金斯大学医学院从事博士后研究工作。致力于质谱分析方法开发及其应用研究,善于从分子的化学性质角度,发展创新的功能反应体系,实现生物分子的深度质谱分析。已发表SCI论文50余篇,其中以第一/通信作者身份在Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等重要期刊发表多篇研究论文,单篇研究论文SCI他引超过350次。兼任《Chinese Chemical Letters》编委、《The Innovation》青年编委。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


课题组网站:

https://www.x-mol.com/groups/chen 


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