Сегодня общепризнанно, что метаболизм отдельных молекулярных видов липидов или отдельных классов липидов тесно переплетен и что недостаточно проводить исследования метаболизма липидов только из изолированной системы или только с точки зрения одного молекулярного вида или одного класса липидов. Следовательно, требования к системному биологическому подходу для изучения метаболизма всего липидома данной органеллы, типа клетки, органа, биологической системы или вида значительно ускоряют развитие и прогрессирование липидомики. В развитии липидомики методы масс - спектрометрии (например, электрораспылительная ионизация MS (ESI / MS) и матричная лазерная десорбция / ионизация MS (MALDI / MS)) играли ведущую роль в характеристике, идентификации и количественном определении липидов В частности, ESI / MS является здесь наиболее заметной и пользуется наибольшим успехом, поскольку ее преимущества очевидны. Таким образом, очевидно, что анализ липидов на основе ESI / MS стал важным инструментом для измерения клеточных липидом во время повреждения клеток нервной системы и нейропсихиатрических расстройств.
Исследования, использующие липидомный подход для характеристики нервной системы и ее болезненных состояний, сегодня проводятся все чаще. Однако из-за своей специфики и сложности исследования липидомики в нервной системе этот процесс являются довольно сложными и уникальными. Эти особенности нейрональной липидомики приводят к созданию определенного подмножества липидомики, которое теперь было названо «нейролипидомика» .
Передний мозг включает в себя кору головного мозга, базальные ганглии и обонятельные луковицы, а промежуточный мозг включает таламус, гипоталамус и эпиталамус. PNS состоит из ганглиев (которые обогащены телами нервных клеток) и нервных пучков (которые состоят из аксонов, миелиновых оболочек, сосудистых капилляров, коллагенов и других соединительных тканей). Тысячи видов сфинголипидных молекул присутствуют в сфинголипидоме, и большинство этих видов сфинголипидных молекул присутствуют в нервной системе. Всестороннюю классификацию и номенклатуру сфинголипидома можно найти на веб-сайте www.sphingomap.com. Отметим, что холестерин очень распространен в нервной системе. Таким образом, большинство метаболитов холестерина может быть здесь найдено . Кроме того, многие нейростероиды также присутствуют в нервной системе.
Для того, чтобы приспособить различные химические связи алифатических цепей к положению sn-1 глицеринового остова в фосфолипидах, каждый класс фосфолипидов дополнительно делится на три подкласса (то есть фосфатидил, плазменил и плазманил), соответствующие эфиру, виниловому эфиру и алкилэфирным связям соответственно. Хотя фосфатидильный подкласс фосфолипидов преобладает в большинстве клеточных мембранных липидов, виды подкласса плазменила являются основным фосфолипидным компонентом в мембранах нейрональных клеток. Молекулярные виды липидов, содержащие очень длинные жирные ацильные цепи (например, 22 и 24 атома углерода), обогащены в нервной системе по сравнению с другими органами. Интересно, что мы совсем недавно определили, что массовое содержание триацилглицерина (ТГ) в ганглиях ПНС достаточно, и эти молекулярные разновидности триалглицерина содержат относительно большую часть ацильных цепей с нечетным углеродом.
Нервная ткань содержит большое количество липидов. Уровни массы липидов в нервных тканях уступают только "жировым подушкам" (то есть жировой ткани). В частности, отношение массового содержания липидов к белкам составляет приблизительно 2000 нмоль липидов / мг белка (или приблизительно 0,2 ммоль липидов / г массы ткани во влажном состоянии) в белом веществе и приблизительно 800 нмоль липидов / мг белка, в то время как жировые ткани содержат до 5000 нмоль липидов / мг белка, в котором более 80 мол.% липидов составляют ТГ. Для сравнения, ткани печени содержат приблизительно 500 нмоль липидов / мг белка; сердце или скелетные мышцы содержат приблизительно 250 нмоль липидов / мг белка; и большинство культивируемых клеток имеют приблизительно 500 нмоль липидов / мг белка. В отличие от жировых прокладок, основная роль которых заключается в том, чтобы служить резервуаром для накопления энергии (то есть, триацилглицерина ), нервные ткани состоят из большого разнообразия классов липидов, каждый из которых играет разнообразную роль в функциях нейронов.
Диверсифицированные нейрональные липиды играют специфические роли в нервной системе, отличные от их общих функций (например, формируя непроницаемый барьер, разделяющий внутриклеточные и внеклеточные компартменты, обеспечивая соответствующий гидрофобный матрикс для функции мембранного белка и белок-липид / белок-белковых взаимодействий, действуя в качестве резервуаров для энергетического депо, к которому можно быстро получить доступ во время необходимости , и служащих источником липидных вторичных мессенджеров передачи сигнала.
Действительно, передача сигналов липидов в нервной системе, по-видимому, намного сложнее, чем с помощью вторичных мессенджеров в клеточном типе. Исследоваетли (Piomelli) недавно обрисовали в общих чертах участие четырех липидных сигнальных путей в нервной системе от неокортекса до результирующего поведения. Обогащение сфинголипидов в миелиновой оболочке по сравнению с другими участками нервной системы и других систем указывает на участие этих специфических липидов в миелиновой оболочки. Несмотря на большое количество плазмогена в нейролипидоме, четкая связь между обилием плазмогена и его ролью в нервной системе еще предстоит определить . Однако продемонстрировано, что мембраны, состоящие из плазмогена, обладают компактной конформацией мембраны и уникальной мембранной динамикой по сравнению с мембранами, состоящими из его диацильного аналога, и что плазмалоген способствует слиянию мембран и межклеточной коммуникации.
Аполипопротеин
Большинство белков экспрессируются как в нервной системе, так и в периферических органах. Однако то, играет ли идентичный белок одинаковую роль в обоих местах, еще предстоит определить, поскольку некоторые белки обладают различными функциями в нервной системе по сравнению с другими органами или системами. Аполипопротеин Е (апоЕ) является одним из примеров таких белков. ApoE играет важную роль в транспорте и метаболизме холестерина и триацилглицерина в плазме благодаря своей способности взаимодействовать с рецептором липопротеинов низкой плотности (LDL) и белком, связанным с рецептором LDL. Однако такая роль apoE в ЦНС является неопределенной, причем , многие исследования показали, что apoE не влияет на массовое содержание холестерина или уровни и состав фосфолипидов и массу в ЦНС в целом, хотя apoE может модулировать гомеостаз холестерина и фосфолипидов в селективных субклеточных мембранных отсеках. В отличие от такой неопределенности, было продемонстрировано, что апоЕ опосредует транспорт и метаболизм сульфатидов в ЦНС и ПНС.
По-видимому, любое изменение в метаболизме липидов, неправильном обороте и гомеостазе может привести к связанному с этим расстройству и / или заболеванию. Соответственно, очевидно, что в нервной системе присутствует больше расстройств и / или заболеваний, связанных с наличием наибольшего разнообразия классов липидов, чем в любых других органах или системах.
Нарушения липидного обмена и нейропсихиатрические расстройства
Дефицит плазмогена связан с церебро-гепаторенальным синдромом и другими подобными этой патологией пероксисомными расстройствами, такими как болезнь Рефсума и точечная ризомелическая хондродисплазия. Патологический метаболизм холестерина является фактором риска развития множества заболеваний нейронов, таких как инсульт и болезнь Альцгеймера ; изыток сульфатида связан с другими заболеваниями человека, такими как метахроматическая лейкодистрофия , тогда как дефицит сульфатида также связан с болезнью Альцгеймера ; накопление цереброзида связано с болезнью Краббе ; накопление керамидов связано с болезнью Фарбера ; накопление ганглиозидов связано с болезнью Тея-Сакса и болезнью Сандхоффа и повышение массы сфингомиелина и / или холестерина в мозге наблюдается при болезни Нейманна-Пика. Даже некоторые распространенные неврологические расстройства, такие как биполярное расстройство и шизофрения, вероятно, связаны с нарушением липидного обмена.
Специфические изменения в сульфатиде у пациентов с легкой формой болезни Альцгеймера
Используя многомерную липидомику на основе масс спектрометрии , можно продемонстрировать специфические изменения в уровнях массы сульфатида как в сером веществе, так и в белом веществе у пациентов с очень легкой формой болезни Альцгеймера по сравнению с контрольной группой . Это существенное снижение уровня сульфатида в массе является специфическим, поскольку никаких существенных изменений в других основных классах липидов как в сером веществе, так и в белом веществе нет во всех исследованных областях у пациентов с очень легкой формой болезни Альцгеймера по сравнению с контрольной группой. . В отличие от случаев болезни Альцгеймера , содержание сульфатидов во всех исследованных областях мозга как в сером, так и в белом веществе у пациентов с болезнью Паркинсона резко повышено по сравнению с контрольной группой. Изучение изменений липидов в образцах деменции с тельцами Леви (DLB) показало, что массовые уровни сульфатида как в сером, так и в белом веществе у субъектов DLB аналогичны уровням, наблюдаемым в контроле. Эти исследования показывают, что дефицит сульфатида у пациентов с очень легкой формой болезни Альцгеймера является специфическим среди изученных нейродегенеративных заболеваний.
Выясненя механизм (ов), лежащих в основе дефицита сульфатида в очень раннем возрасте исследователи обнаружили новую роль апоЕ в ЦНС, то есть модуляцию массового содержания сульфатида. Эта роль была подтверждена тремя экспериментальными выводами следующим образом. Во-первых, сульфатиды специфически связаны с апоЕ-содержащими частицами липопротеина, таким образом сульфатиды могут транспортироваться частицами апоЕ в межклеточную жидкость головного мозга и спинномозговую жидкость (CSF). Во-вторых, apoE модулирует уровни массы сульфатида в ЦНС посредством метаболизма апоЕ-содержащих частиц, то есть транспорта сульфатида в CSF и эндоцитотической рециркуляции частиц апоЕ через членов семейства рецепторов ЛПНП или рецепторов ЛПНП, таких как белки, связанные с рецептором ЛПНП. В-третьих, модуляция содержания сульфатида в ЦНС зависит от апоЕ-изоформы. Этот вывод был подтвержден существенно более низким массовым содержанием сульфатида у трансгенных мышей apoE4 человека, чем у трансгенных мышей apoE3 человека. Это было также подтверждено значительно более высоким массовым содержанием сульфатида в CSF у когнитивно нормальных субъектов с одним или двумя аллелями апоЕ4 по сравнению с таковыми у гомозиготных аллелей апоЕ3. В совокупности эти данные не только подтверждают роль apoE в регуляции метаболизма сульфатида в ЦНС, но также предполагают, что apoE может быть вовлечен в потерю сульфатида у пациентов с очень легкой формой болезни Альцгеймера.
На сегодняшний день биохимический механизм (ы), лежащий в основе выраженного дефицита сульфатида в ЦНС у пациентов с очень легкой формой болезнью Альцгеймера , до сих пор неясен, хотя он может отражать повреждение аксонов (или дегенерацию) или аномальный метаболизм апоЕ-ассоциированных липопротеинов или обоих механизмов. Тем не менее, стоит сделать несколько выводов. Во-первых, дефицит сульфатида в начале нашей эры может быть полезным биомаркером. Во-вторых, дефицит сульфатида - очень раннее событие при патологии болезни Альцгеймера . Наиболее важно то, что наши результаты показывают, что у субъектов с легкими когнитивными нарушениями, вызванными болезнью Альцгеймера , уже произошли драматические биохимические и / или патологические изменения, которые в конечном итоге будут иметь решающее значение для как можно более раннего выявления цели в ходе заболевания, чтобы оказать существенное терапевтическое воздействие. В-третьих, метаболизм сульфатидов связан с апоЕ, что позволяет по-новому взглянуть на связь апоЕ с болезнью Альцгеймера . Эти результаты также указывают на то, что, хотя липидомика, как область, все еще находится на ранних стадиях своего развития, значения липидомики уже была продемонстрирована.
Соответственно, эти специфичность и сложность в липидном метаболизме, трансфере , гомеостазе и функциях делают комплекс нейролипидомов достаточно проблематичным для нейролипидомики. Тем не менее, благодаря недавним разработкам в области липидомики, особенно в области методов на основе масс - спектрометрии , теперь стало возможным проводить тканеспецифичные, специфичные для заболевания, специфические для липидного класса или генные специфические нейролипидомные исследования. В связи с резким улучшением масс спектрометрии и лучшим пониманием химического состава липидов для анализа с помощью масс спектрометрии в последние годы, предел обнаружения был снижен с концентрации низкого пмоль на микролитр до уровня атмол на микролитр . Таким образом, динамический диапазон для анализа липидомов был значительно расширен, так что в настоящее время мы можем идентифицировать и количественно определить те классы липидов, которые присутствуют только при очень низком массовом содержании (например, лизофосфолипиды, церамид, сфингозин-1-фосфат) и / или дойти до анализа очень низкообогащенных молекулярных видов во многих классах липидов, которые присутствуют при среднем или высоком общем массовом содержании (например, этаноламин глицерофосфолипиды (GPEtn), кардиолипин). Можно ожидать, что анализы нейролипидомов в ближайшем будущем будут скорее проблемой подготовки образца и выделения ткани, чем проблемой анализа липидов.
В современной практике липидомики существует три основных, независимо разработанных подхода на основе ESI / MS, каждый из которых обладает различными преимуществами и некоторыми ограничениями. Этими подходами являются многомерная липидомика на основе масс - спектрометрии после разделения внутри источника, метод ESI / MS в сочетании с ВЭЖХ и тандемная липидомика на основе масс-спектрометрии. Оба подхода «липидомики ружья» разработаны после прямой инфузии, и потенциально оба могут использоваться в качестве глобального анализа отдельных видов липидных молекул непосредственно из липидного экстракта биологического образца без предварительного хроматографического разделения. Совсем недавно сообщалось об альтернативном подходе на основе масс спектрометрии для профилирования относительных изменений между различными состояниями . В методе ESI / MS с LC-связью для профилирования липидов использовали колонки как с прямой, так и с обращенной фазой.
Многомерная липидомика на основе MS использует синергию между проксимальным разделением классов липидов в источнике ионов и последующей многомерной масс-спектрометрией. Разработка многомерного подхода к липидомике на была начата на самой начальной стадии, когда для анализа липидов использовалась ESI / MS. Этот метод значительно эволюционировал после разработки двумерного вариант амасс - спектрометрии и теперь превратился в довольно зрелую технологию в липидомике, хотя дальнейшие улучшения в некоторых аспектах этой технологии все еще необходимы. Эта технология включает в себя несколько этапов: мультиплексированные экстракции, внутриисточниковое разделение и селективная ионизация, многомерная идентификация масс - спектрометрии отдельных молекулярных видов липидов, двухэтапное количественное определение и обработка данных.
Используя многомерную липидомику на основе MS, можно выявить четкие липидные профили GPEtn в сером веществе и белом веществе в мозге человека. Вкратце, анализ ESI / MS с отрицательными ионами хлороформных экстрактов серого вещества коры головного мозга от когнитивно нормальных, после смерти субъектов в присутствии небольшого количества LiOH демонстрирует множественные преобладающие пики депротонированных ионов, соответствующие молекулярным частицам GPEtn. Обогащение арахидоновой и докозагексаеновой кислот в липидных экстрактах серого вещества демонстрируется присутствием обильных ионных пиков при сканировании предшественников-ионов m / z 303,3 и 327,3, соответственно, во время многомерного анализа МС . Результаты анализа отличаются наличием более 80 мол.% GPEtn в сером веществе, содержащем четыре или более двойных связи в положении sn-2, а также присутствием 55-60 мол.% плазмогена GPEtn (pGPEtn) в сером веществе. В отличие от серого вещества, ESI / MS с отрицательными ионами анализирует липидные экстракты белого вещества из разных областей мозга (например, верхней лобной коры, верхней височной коры, нижней теменной коры и мозжечка) от когнитивно нормальных, субъектов после их смерти в присутствие небольшого количества LiOH продемонстрировало только один преобладающий пик при m / z 726,5, что соответствует 18: 1-18: 1 pGPEtn (фиг. 5B). Кроме того, результаты анализа, обнаруженные в белом веществе, примечательны тем фактом, что более 85 мол.% GPEtn являются плазмалогеном (по сравнению с 55-60 мол.% GPEtn в сером веществе) и более 50 мол.% GPEtn состоят из молекулярных частиц. содержащих одну двойную связь в положении sn-2 (по сравнению с <15 мол.% от тех, которые содержат одну двойную связь в положении sn-2 в сером веществе.
Добавить комментарий