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《科学通报》:脂肪酸代谢命运分析新方法

已有 775 次阅读 2020-7-14 11:23 |系统分类:科普集锦

脂肪酸是线粒体氧化分解的底物,为维持生命提供能量。在脂肪酸参与细胞代谢之前,相对不活跃的羧基被转化成更具活性的辅酶A(CoAs),形成酰基辅酶A(acyl-CoAs),这一过程称为脂肪酸的活化。由于线粒体膜对长链acyl-CoAs是不可渗透的,需要脂酰肉碱(acyl-carnitines)转运系统将脂肪酰基转移到线粒体基质中进行β-氧化,acyl-carnitines的水平可显示线粒体输入和利用相应acyl-CoAs的效率。因此,构建一个同时监测acyl-CoAs和acyl-carnitines的分析方法,可以揭示出在不同生理条件下脂肪酸的代谢命运。近年来,液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)逐渐成为acyl-CoAs定量分析的主要方法。然而,不同链长的acyl-CoAs所表现的极性差异很大程度上限制了在单一色谱梯度内将短链(C2-6)、中链(C7-C14)和长链(>C16)acyl-CoAs进行良好的分离。因此,在单一方法中涵盖所有链长的acyl-CoAs仍然是一项技术挑战,开发可全面检测内源性acyl-CoAs分布并同时兼顾acyl-carnitines的分析平台,对于加深我们理解脂肪酸的代谢命运至关重要。

2020年7月,《Science Bulletin》(IF:9.511)在线发布了题为“A robust, integrated platform for comprehensive analyses of acyl-coenzyme As and acyl-carnitines revealed chain length-dependent disparity in fatty acyl metabolic fates across Drosophila development”的研究论文,报告了一个可同时定量内源性acyl-CoAs和acyl-carnitines的高通量分析平台,并展示了在果蝇发育过程中脂肪酰代谢研究的应用案例。中科院遗传发育所客座科研人员Dr Lam Sin Man、周天行和遗传发育所博士研究生李婕为本文的共同第一作者,税光厚研究员是本文通讯作者。 该项工作得到了国家重点研发计划(2018YFA0506900,2018YFA0800901),中国科学院战略重点研究计划(XDA12030211),国家自然科学基金(31671226,31871194)的资助。

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研究人员首先开发了用于分离acyl-CoAs(C2-C22)的新型集成分析平台。色谱洗脱中通过控制梯度中三乙胺(TEA)的比例调节pH的变化来实现各个链长acyl-CoAs的分离并获得令人满意的峰形。该方法的新颖之处在于短链、中链和长链acyl-CoAs及其相应的acyl-carnitines可同时覆盖,并且在单个色谱梯度内具有令人满意的分离度(图1)。

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图1. 酰基辅酶A和酰基肉碱的提取色谱

随后,研究人员使用这种方法,监测了果蝇在对照(ND)和高脂饮食(HFD)发育过程中的中间脂质图谱的变化。结果观察到中链(C8-C12)和长链(>C16)的acyl-carnitines分别在L3幼虫期和蛹期的特异性积累,以及诱导的acyl-carnitines积累与链长有关(图2)。为了研究脂肪酰衍生物在果蝇发育过程中的协同调节作用,研究人员紧接着进行了差异相关分析(图3)。

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图2. 发育和饮食控制对脂肪酰基(即游离脂肪酸,酰基肉碱,酰基辅酶A)的影响。

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图3. 在不同饮食条件下,整个发育过程中的脂质共调节分析。

上述结果表明,在果蝇发育过程中,acyl-CoAs的代谢命运存在发育特异性和链长依赖性差异;研究人员通过使用d23-月桂酸(d23-lauric acid) 和 13C16-棕榈酸( 13C16-palmitic acid)来处理样品,然后监测acyl-CoAs(活化后的脂肪酸)在线粒体外部和内部的含量变化来实现代谢流分析。研究结果发现,蛹期的线粒体优先输入和氧化C12:0-CoAs(L3期积累为C12:0-肉碱)而不是C16:0-CoAs。中链acyl-CoAs的优先氧化限制了长链acyl-CoAs(C16-C18)在线粒体中的利用,导致肉碱棕榈酰-酰基转移酶(CPT1)-6A活性增强,介导了长链acyl-carnitines在蛹时期的特异性积累。HFD使C16:0-CoAs在蛹期的代谢中相对于合成代谢更偏向分解代谢从而对整体发育产生不利影响(图4)。

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图4. 果蝇发育过程中酰基特异性代谢命运

综上所述,该研究创建了能够同时定量acyl-CoAsacyl-carnitines的新方法,并将该方法应用于果蝇不同发育阶段的脂肪酰代谢研究,揭示了不同链长的acyl-CoAs在果蝇不同发育阶段的代谢命运。该分析平台展示了组学的强大驱动力,特别是在生物学背景下探索线粒体脂酰基的代谢命运,并强调了将生物学知识整合到分析中的重要性。在复杂的生物系统中,构建针对不同通路的分析方法,更全面的挖掘出生物体的代谢状态,可以更好地诠释出深层次的生理意义。

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