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陈素明课题组实现不饱和脂质双键异构体的全维度分析
发布时间:2022-05-18 10:13  作者:  来源:​高等研究院  阅读:

新闻网讯(通讯员高妍)近日,Nature Communications(《自然•通讯》)在线发表高等研究院陈素明教授课题组在化学、生物学和医学学科交叉研究的最新成果,并被选为领域内的“Featured Articles”(亮点论文)。

该研究利用开发的双功能化学反应和色谱-质谱联用技术,解决了在生命科学研究中长期存在的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。

论文题为“Dual-Resolving of Lipid Positional and Geometric Isomers of C=C Bonds via Bifunctional Photocycloaddition-Photoisomerization Reaction System”(光环化-光异构化双功能反应体系实现碳碳双键位置和几何异构的同时解析)。论文的第一作者为博士后冯桂芳,陈素明为论文独立通讯作者,武汉大学高等研究院为论文第一署名单位。

不饱和脂质是在脂肪链上含有碳碳不饱和双键(C=C)的脂质亚类,其生物功能在很大程度上取决于它的化学结构,而C=C双键存在位置和顺反两种异构形式。目前为止,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解析的研究方法,极大地阻碍了脂质结构与生物功能关系的研究。

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(MethylBenzoylformate)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

该研究是多学科交叉合作的成果,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戚孝天教授(化学)提供了计算化学方面的支持,武汉大学高等研究院胥国勇教授(生物学)提供了细菌的生物模型,华中科技大学附属协和医院林云教授(医学)提供了脑缺血的动物模型,武汉大学高等研究院陈宜鸿教授(化学)提供了气相色谱-质谱分析方面的支持。该研究还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经费的支持,以及武汉大学超算中心、高等研究院质谱平台的技术条件支持。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30249-z

陈素明课题组网站:https://www.x-mol.com/groups/chen

(编辑:肖珊)

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