氢氘交换结合单细胞纳喷雾高分辨质谱提高细胞代谢物鉴定效率
大家好,本周为大家分享一篇发表在Anal. Chem.上的文章,Hydrogen/Deuterium Exchange Aiding Metabolite Identification in Single-Cell Nanospray High-Resolution Mass Spectrometry Analysis1。该文章的作者是中国地质大学(武汉)的彭月娥老师。在生物医药研究中,从单细胞水平进行代谢物的分析可以揭示细胞异质性。但由于样本量较小、代谢转化率快、浓度范围广以及分子结构多样,单细胞中代谢物的准确识别和定量具有挑战性。毛细管微采样电喷雾电离质谱(Capillary microsampling ESI-MS)以及单细胞质谱(single-cell MS)技术的使得单细胞代谢物分析得以发展。但目前其常规实验方案是没有与色谱(LC)耦联的,单靠一级谱图精确质量、二级碎裂谱图以及目前已知代谢物谱图数据库对于鉴定的准确性仍是有局限的。氢氘交换(HDX)技术可以用于氘代小分子中含氢的官能团(-OH、 -COOH、 -NH和-SH)从而起到区分作用。本文将HDX与nanospray 高分辨质谱(nanospray HRMS)结合起来提高Allium cepa L.细胞中的代谢物鉴定效率。图1. 实验装置。(a)微采样系统。(b)捕捉细胞时的电镜图。(c)HDX nanospray离子源。(d)源内HDX原理。图2. 鉴定流程实验装置如图1所示,用于提取细胞代谢物并在喷雾时进行HDX反应。鉴定流程如图2所示。作者首先用[(H3PO4)n-H]-评价了该体系的氘代能力,如图3,最终确定该体系能够使可氘代化合物发生80-83%的氘代。图3. [(H3PO4)n-H]-的氘代谱图如图4是该方法的应用实例。对于洋葱细胞样品中代谢物的谱图,作者首先用多个商业化软件进行了初次匹配。接着通过匹配其发生的氘代数从而进行进一步确证。例如一级谱图中观测到的m/z 178.0530一物质,软件给出该分子量对应元素组成只有C6H11O3NS这一选项。氘代后的谱图显示该物质含有3个不稳定H。562个备选化合物中只有65个符合该特点。通过碎裂模拟发现其中只有27个物质的二级谱图与该峰的二级谱图能够匹配。通过寻找碎片离子不稳定H将可能化合物数量又降至了25。只通过MS法几乎无法区分立体异构体,因此忽略备选化合物中的立体异构体,将备选数量降至11。通过调研文献,并利用标准物参考中确定,该物质极可能是isoalliin。图4. Isoalliin的鉴定流程基于该鉴定作者接下来分析了单细胞中isoalliin的分解途径。据报道isoalliin首先降解为sulfenic acid,然后降解为propanethial S-oxide。但sulfenic acid和propanethial S-oxide属于同分异构体(C3H6OS),且sulfenic acid是瞬时存在的,因而常规的LC-MS流程很难鉴定区分。通过HDX nanospray HRMS,作者发现细胞中C3H6OS的不稳定H在喷雾后10~15min间从2个变为了1个(图6)。Sulfenic acid中理论不稳定H为2,propanethial S-oxide中理论不稳定H为1。这表明sulfenic acid转化成了propanethial S-oxide,时间尺度是15min左右。图5. C3H6OS采样10min后(a)和采样15min后(b)的HDX分布。(c)C3H6OS 氘代数随时间变化。本研究整合HDX与单细胞HRMS法,提高了单细胞代谢物分析的准确度,并利用HDX特性分析了物质在单细胞水平的代谢过程,为细胞代谢过程中生化反应的监测提供了新方法。撰稿:罗宇翔编辑:李惠琳原文:Hydrogen/Deuterium Exchange Aiding Metabolite Identification in Single-Cell Nanospray High-Resolution Mass Spectrometry Analysis李惠琳课题组网址:https://www.x-mol.com/groups/li_huilin参考文献1. Osipenko, S. Zherebker, A. Rumiantseva, L. Kovaleva, O. Nikolaev, E. N. Kostyukevich, Y., Oxygen Isotope Exchange Reaction for Untargeted LC-MS Analysis. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2022, 33 (2), 390-398.