前沿 | 首次描绘小鼠甾醇分布脑谱图——离子淌度四维甾醇组学探索衰老机制

安捷伦视界

2021.8.04

甾醇是一类具有重要生理功能的特殊脂质代谢物，参与生物膜构建、信号传导和能量稳态维持等关键性生物学过程，其代谢异常与癌症、神经退行性疾病等多种疾病密切相关。然而，甾醇组的全面分析面临诸多挑战，如标准品缺乏，质谱离子化效率低、灵敏度欠佳、体内浓度动态范围大和同分异构体多难以分离等，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。离子淌度质谱（Ion Mobility-Mass Spectrometry）可以提供代表化合物尺寸、大小的碰撞截面积数据，进而提供超越传统质谱平台的多维结构鉴定信息，在电荷异构体和同分异构体鉴定上拥有独特的优势，可有效提升复杂生物样品中甾醇组的定性和定量分析能力。

近期，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课题组在 Nature Communications 杂志在线发表了题为“Ion mobility-based sterolomics reveals spatially and temporally distinctive sterol lipids in the mouse brain”^[1]的研究论文。该工作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的脑谱图。

专家解读核心信息

“甾醇脂质分析面临巨大的挑战，让我们不得不突破常规进行创新，我们一方面利用离子淌度质谱的硬件优势实现甾醇同分异构体的分离，一方面利用机器学习算法拓展甾醇四维数据库，最终结合硬件和软件的优势发展了四维甾醇组学技术，并成功描绘了小鼠甾醇分布的脑谱图。”

迄今最大甾醇 CCS 数据库及高精度、广覆盖甾醇组分析策略针对生命体内甾醇组分析面临的挑战，本研究利用 Agilent 6560 离子淌度 Q-TOF 液质联用系统，创新地结合样品衍生化策略和构建质谱解析机器学习预测模型，建立了迄今最大甾醇 CCS 数据库，并首次发展了高精度、广覆盖的四维甾醇组学分析技术。

图 1. Agilent 6560 离子淌度 Q-TOF 液质联用系统策略具有 3 大主要优势：

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多维分离；
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；
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 2. 基于离子淌度质谱的四维甾醇组学技术。（图片来源：Nature Communications）首次描绘甾醇组分布脑谱图，探索衰老机制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。

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。
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。
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 3. 小鼠功能脑区的甾醇组鉴定和定量分析。（图片来源：Nature Communications）本研究建立的甾醇 CCS 数据库将为后续甾醇组的全面鉴定提供重要工具，发展的高精度、广覆盖的四维甾醇组学分析技术也必将为生命科学深化甾醇代谢异常导致的疾病研究提供重要启示。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（http://mousebrainatlas.zhulab.cn/），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。参考文献

[1] Nature Communications volume 12, Article number: 4343 (2021)