前沿 | 高精度非靶向脂质组鉴定策略：IM-MS+多维数据库匹配+碎裂规则注释

2020-10-31 06:16:28, 安捷伦科技安捷伦科技（中国）有限公司

脂质分子因其在生命体中作为细胞膜的重要成分、参与能量存贮与代谢、执行信号传导等重要生理功能，近年在疾病及各种生物学问题研究中备受关注。脂质种类繁多，分子结构多样，因不同的头基、脂肪酰链及双键个数与位置异构等产生了大量的同分异构体。近期研究表明，同一种类不同的脂质异构体可能存在不同的生理作用，然而非靶向脂质组学分析在如何确保结构的精准鉴定方面依然面临着巨大挑战。离子淌度质谱可以提供代表化合物尺寸大小的碰撞截面积数据，获取结构鉴定的多维信息，在异构体鉴定上拥有独特的优势，可有效提升复杂生物样品脂质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的朱正江研究员课题组在 Analytica Chimica Acta 上发表的题为 Development of A Combined Strategy for Accurate Lipid Structural Identification and Quantification in Ion-Mobility Mass Spectrometry based Untargeted Lipidomics 的文章。

作者基于离子淌度质谱，开发了“四维一体”数据库检索结合“碎片三步规则”细化注释的脂质整合鉴定方案，旨在兼顾大数据库检索的广度又可去伪存真，降低冗余，获取非靶向脂质组学宽覆盖度下的高精度鉴定，为脂质组学后续的研究提供重要前提。

专家解读核心信息

基于离子淌度质谱的脂质组学技术，可从多个维度全面表征脂质分子，有效提高脂质结构鉴定的准确性和覆盖度。在此工作中，我们开发了一种联合脂质鉴定策略，首先通过与包含超过 260,000 脂质分子信息的四维数据库匹配，实现高覆盖非靶向脂质鉴定；进一步通过碎裂规则对脂质结构进行精细化阐释，解决数据库匹配带来的冗余注释和过度阐释的问题，从而实现高覆盖高准确度结构鉴定。同时，在该策略下脂质绝对定量结果与其他独立实验室报道值高度一致，进一步验证了基于 IM-MS 的非靶向脂质组学的准确定量性能。

图 1 基于离子淌度质谱的“四维一体”数据库检索联合“碎片三步规则”细化注释的整合脂质鉴定方案

“四维一体”联合“碎片三步规则”的

脂质整合鉴定方案

“四维一体”数据库检索 — 首先利用 LipidIMMS Analyzer 提出的“四维一体”数据分析流程，使用质荷比（m/z）、保留时间（Retention Time, RT）、碰撞截面积（Collision Cross Section, CCS）以及二级谱图（MS/MS spectra）四个维度的信息，将实验数据与理论预测的数据库进行多维信息匹配打分，给出在特定条件下可被鉴定的所有可能性的脂质分子结果。由于有多重正交信息共同筛选，具有较高可信度，并提供了所有可能的注释结果。

“碎片三步规则”细化鉴定 — 基于 LipidIMMS Analyze “四维一体”鉴定结果，进一步采用“碎片三步规则”进行细化鉴定。规则信息主要由三部分构成：（1）包含头基信息的碎片离子；（2）包含脂肪酰基链信息的碎片离子；（3）脂肪酰基链离子强度关系。其中头基碎片离子可确定脂质种类，脂肪酰基链碎片信息可用于链长信息的确认，而脂肪酰基链离子强度关系可用于脂肪酰基链位置（SN1，SN2）的确认。利用规则信息，结合二级谱图中的特征碎片离子以及碎片离子的强度信息，给出了反映准确结构水平信息的脂质注释，得到更为可靠、规范化的鉴定结果。

方案性能评估：

宽覆盖范围下的高精度鉴定

基于上述脂质整合鉴定方案，利用安捷伦 6560 离子淌度 Q-TOF 液质联用系统分别分析了脂质混合标样及四种生物基质包括NIST SRM 1950标准血浆、293T细胞、鼠肝脏和脑组织，以考察鉴定的精度和覆盖度。

高精度：首先采用包含 18 类 22 个脂质的混合标样验证了脂质整合鉴定方案的高精度。以 PC（18:0/16:0）的鉴定为例：MS1 匹配得到 36 个候选结果；接着采用“四维一体”谱库检索过滤得到 14 个候选脂质，其中正确脂质排名第 8 名；进一步利用“碎片三步规则”细化鉴定可最终确证出唯一可能的选项 PC（18:0/16:0）。

图 2 脂质整合鉴定方案从包含26万脂质的LipidIMMS Analyzer中最终确定出唯一正确鉴定结果PC（18:0/16:0）

高覆盖度 — 为了进一步考察该策略鉴定的覆盖度，将四种生物基质中提取的脂质组进行了全面鉴定分析，鉴定到 440-960 种脂质种类（图3）。

图 3 脂质整合鉴定方案实现四种不同生物基质样本的高覆盖度鉴定

高精度鉴定下的脂质定量

进一步使用 NIST SRM 1950 human plasma 作为标准生物样本，对基于离子淌度质谱的数据进行定量分析评估。使用 LipidQC 对本检测方法得到的定量结果与已报道的绝对定量结果相比较，其中超过 80% 的脂质分子与报道值一致。这说明，整合鉴定方案有利于对脂质结构的准确鉴定，并进一步促进了基于 IM-MS 的非靶向脂质组学中脂质的准确定量。

小结

本研究开发的“四维一体”数据库检索联合“碎片三步规则”细化注释的整合脂质鉴定方案，可以有效实现基于大数据检索下的高覆盖度与高精度鉴定，解决当前非靶向脂质组学面临的鉴定挑战，无疑将为深入推动脂质组学在生命科学研究中的应用提供重要手段。

目前该联合策略已整合在 LipidIMMS Analyzer 网站，免费开放使用

（http://imms.zhulab.cn/LipidIMMS/）。

参考文献

Zhou, Z., Shen, X., Chen, X., Tu, J., Xiong, X., & Zhu, Z. J. (2019). LipidIMMS Analyzer: integrating multi-dimensional information to support lipid identification in ion mobility—mass spectrometry based lipidomics. Bioinformatics, 35(4), 698-700.

Chen, X., Yin, Y., Zhou, Z., Li, T., & Zhu, Z. J. (2020). Development of a combined strategy for accurate lipid structural identification and quantification in ion-mobility mass spectrometry based untargeted lipidomics. Analytica Chimica Acta, 1136, 115-124.

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