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声音专栏 | 婷姐再谈SWATH®采集技术(三)——代谢、脂质组应用

2019-12-02 02:17 SCIEX公司

sciex 代谢 脂质组学 采集 swath

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本期“婷视角”专栏,婷姐又谈“不朽的事物”——SWATH,介绍这项技术在蛋白组学研究中的前沿应用。

文章结构

1.上期内容回顾,本期内容概述; 

2.SWATH®在代谢、脂质组学中的应用;

3.SWATH®在代谢、脂质组学中的应用优势。

上期内容总结,本期内容概要

大家好,我们又见面了。上期内容中我提到了SWATH®在定量蛋白组学中的应用及其4个应用优势:采集简单,高通量定量,数据可追溯性和可重现性;实际上,这些优势同样适用于其他应用领域。本期内容,我们继续上期内容,主要聊聊SWATH的应用及其应用优势。本期主要集中在代谢、脂质组学应用。

如何提高代谢组学研究的覆盖率,高通量定量一直是困扰科学家的难题。SWATH®技术的全景式扫描能力,受到了代谢、脂质组学工作者的关注。定性方面:Zuzana[1]分别使用TOP25的DDA采集模式和30个窗口采集的SWATH模式,采集数据。根据MS/MS检索数据库进行代谢物鉴定,结果表明:SWATH能提高1倍的鉴定量(图1)。定量方面,SWATH提供了高通量的类MRM定量信息,MRM是质谱界定量的黄金标准,SWATH 这一性能也因此被看重。

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图1. SWATH® VW30(30个可变窗口设置)和DDAtop25 (自动触发25个MS/MS采集)比较,两种方法MS/MS和数据库匹配, >70%的匹配度,结果表明:SWATH®MS/MS鉴定个数更多。

美国加州Oliver的代谢组学实验室[2]分别使用MicroLC-DDA采集模式和MicroLC-SWATH-MS模式采集数据,来研究六种红酒的多酚代谢组学。结果表明:SWATH与DDA在一级色谱峰的发现能力相似,分别为1632和1667;但在这些被发现的色谱峰中,有MS/MS谱图的色谱峰:SWATH 为1632 个,DDA为1461个,这说明SWATH 没有任何MS/MS谱图信息的丢失;这一采集上的不同导致数据处理后的结果是: 使用SWATH 数据能鉴定到207个多酚化合物,而DDA数据仅能鉴定到178个多酚化合物。

大连化物所许国旺研究员实验室[3]推出“拟靶向“的工作流程(图2),利用SWATH 全景扫描的特点,采集不同CE能量下的MS/MS信息,使用软件筛选形成特征MRM离子对信息,然后将MRM信息无缝转移到三重四极杆仪器上进行大批量样本的测定。并将该方法成功应用于二型糖尿病差异化合物的发现。“拟靶向“的工作流程综合了非靶扫描信息量大,和靶向扫描灵敏度和稳定性的优势,非常适合临床大队列样本的测试。

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图2. 拟靶向工作流程; A. 不同CE能量采集可能离子对步骤; B. 使用最优化CE,判断离子对,并选择形成MRM离子对。 

同蛋白组学一样,SWATH 数据处理也一直是困扰代谢组学的难题。2015年在Nature Methods上,作者Tsugawa[4]发表了MS-DIAL软件来处理SWATH®数据,该软件免费,可以进行SWATH数据的去卷积工作,而后根据数据库,进行鉴定工作。

中科院有机所朱正江研究员实验室,2016年在AC[5]上发表了MetDIA软件(图2),该软件根据数据库,对SWATH数据进行二级碎片离子提取,进行定量和鉴定工作。 2018年,朱正江研究员又接着在AC[6]上发表了SWATHtoMRM软件,支持“类靶向工作流程“,软件自动从SWATH®采集的数据中获得母离子和子离子信息,将其转化成MRM离子对建立到三重四级杆上实现代谢组学大队列检测;今年在Nature Communication[7]上,朱正江研究员又继而发表了MetDNA软件,该软件支持SWATH和DDA数据处理,依据代谢物上下游结构具有相关性,结合KEGG通路和实验室自建的“种子MS/MS数据库”,内嵌全新模型算法,解决代谢组鉴定难题。其数据处理结果展示:在不同基质中,一次实验,可鉴定到2000左右代谢物,结果令人震撼。这三个软件,可以通过相关文献获得链接,了解信息。

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图3. MetDIA 目标代谢物提取工作流程

在脂质组学研究方面,SWATH大量的应用来自于脂质定量。作者Jorg[8]使用SWATH-MS分析不同心血管病人血小板脂质组,共检测到1971个特征峰,解析其中的611个脂质结构,SWATH 的Q1隔离窗口宽度设为5 Da时,目离子的选择性就接近于MRM方法,可以实现低丰度的氧化磷脂类的检测。

介绍了这么多,最后让我们来总结一下SWATH技术在代谢、脂质组学的应用优势:

1. 数据采集简单;  

2. 数据全景扫描,支持数据的可追溯性; 

3. 可重现、高质量、高通量的定量能力;

4. MS/MS信息的全覆盖支持定性鉴定;

5. 拟靶向/类靶向工作流程;

随着SWATH技术处理软件的不断完善,相信这一技术将在代谢组学有更大的应用空间。

本期栏目就到这里,今天,我介绍了SWATH在代谢、脂质组学研究中的应用,下期内容我们来聊聊SWATH在药物研究,食品筛查,毒物筛查等领域的应用。期待下期与您再见面!

参考文献:

1. SWATH® Acquisition Improves Metabolite Coverage over Traditional Data Dependent Techniques for Untargeted Metabolomics;SCIEX TECHNOTE;

2. Ultrafast polyphenol metabolomics of red wines using microLC-MS/MS; J. Agric. Food Chem;

3. Ion-pair selection methodfor pseudotargeted metabolomics based on SWATH MS acquisition and itsapplication in differential metabolite discovery of Type 2 diabetes; ANAL. CHEM;

4. MS-DIAL: Data Independent MS/MS Deconvolution for Comprehensive Metabolome Analysis; NATURE METHODS;

5. MetDIA: Targeted Metabolite Extraction of Multiplexed MS/ MS Spectra Generated by Data-IndependentAcquisition; ANAL. CHEM;

6. SWATHtoMRM: Development of High-Coverage Targeted Metabolomics Method Using SWATH Technology for Biomarker Discovery; ANAL.CHEM;

7. Metabolic reaction network-based recursive metabolite annotation for untargeted metabolomics; NATURE COMMUNICATIONS;

8. Comprehensive MS/MS Profiling by UHPLC-ESI-QTOF-MS/MS using SWATH Data-independent Acquisition forthe Study of Platelet Lipidomes in Coronary Artery Disease; ANAL CHIM ACTA.

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