This article presents an enhanced form of a novel bottom-up glycomics technique designed to analyze the pooled compositional profile of glycans in unfractionated biofluids through the chemical breakdown of glycans into their constituent linkage-specific monosaccharides for detection by GC-MS. Potential applications include early detection of cancer and other glycan-affective disorders.
Synthesized in a non-template-driven process by enzymes called glycosyltransferases, glycans are key players in various significant intra- and extracellular events. Many pathological conditions, notably cancer, affect gene expression, which can in turn deregulate the relative abundance and activity levels of glycoside hydrolase and glycosyltransferase enzymes. Unique aberrant whole glycans resulting from deregulated glycosyltransferase(s) are often present in trace quantities within complex biofluids, making their detection difficult and sometimes stochastic. However, with proper sample preparation, one of the oldest forms of mass spectrometry (gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS) can routinely detect the collection of branch-point and linkage-specific monosaccharides (“glycan nodes”) present in complex biofluids. Complementary to traditional top-down glycomics techniques, the approach discussed herein involves the collection and condensation of each constituent glycan node in a sample into a single independent analytical signal, which provides detailed structural and quantitative information about changes to the glycome as a whole and reveals potentially deregulated glycosyltransferases. Improvements to the permethylation and subsequent liquid/liquid extraction stages provided herein enhance reproducibility and overall yield by facilitating minimal exposure of permethylated glycans to alkaline aqueous conditions. Modifications to the acetylation stage further increase the extent of reaction and overall yield. Despite their reproducibility, the overall yields of N-acetylhexosamine (HexNAc) partially permethylated alditol acetates (PMAAs) are shown to be inherently lower than their expected theoretical value relative to hexose PMAAs. Calculating the ratio of the area under the extracted ion chromatogram (XIC) for each individual hexose PMAA (or HexNAc PMAA) to the sum of such XIC areas for all hexoses (or HexNAcs) provides a new normalization method that facilitates relative quantification of individual glycan nodes in a sample. Although presently constrained in terms of its absolute limits of detection, this method expedites the analysis of clinical biofluids and shows considerable promise as a complementary approach to traditional top-down glycomics.
Glycolipids, ग्लाइकोप्रोटीन, प्रोटेयोग्लाईकैन्स, और glycosaminoglycans जटिल, विषम कार्बोहाइड्रेट सामूहिक ग्लाइकान के रूप में जाना के चार मुख्य वर्गों का गठन। के रूप में प्लाज्मा झिल्ली, glycocalyx, और बाह्य मैट्रिक्स और तरल पदार्थों का सर्वव्यापी और अभिन्न घटकों, ग्लाइकान endocytosis, intracellular तस्करी, सेल गतिशीलता, संकेत पारगमन, आणविक मान्यता, रिसेप्टर सक्रियण, कोशिका आसंजन, मेजबान रोगज़नक़ बातचीत के रूप में इस तरह के विभिन्न जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में हिस्सा लेना , कहनेवाला संचार, immunosurveillance, और प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया दीक्षा। जीवन के लगभग हर क्षेत्र में 1 वर्तमान, glycosyltransferases रूप में जाना जाता एंजाइमों कि glycan पॉलिमर का निर्माण ग्लाइकोसाइड हाइड्रोलिसिस (भी glycosidases रूप में जाना जाता है, जो नीचे ग्लाइकान तोड़ने) के निर्माण के लिए, फिर से तैयार के साथ मिलकर काम करते हैं, और अंत में glycan पॉलिमर 2 को अंतिम रूप उत्पादन। प्रत्येक glycosyltransferase अलग glycoconjugates पर काम कर सकते हैं, एक glycosyltransferaseआम तौर पर न्युक्लेओफ़िलिक स्वीकारकर्ताओं का एक खास वर्ग (जैसे, एक लिपिड, पॉलीपेप्टाइड, न्यूक्लिक एसिड, या बढ़ती करने के लिए एक विशेष सक्रिय न्यूक्लियोटाइड चीनी दाता (जैसे, सकल घरेलू उत्पाद-fucose) की मोनोसैकराइड आधा भाग के हस्तांतरण से एक linkage- और anomer विशेष glycosidic बंधन forges oligosaccharide)। यह अनुमान लगाया गया है कि प्रोटीन (विशेष रूप से झिल्ली और स्रावी प्रोटीन) के 50 से अधिक% के बाद translationally ग्लाइकोसिलेशन द्वारा संशोधित कर रहे 3 प्रारंभिक मिश्रित गणना काफी परिवर्तनशीलता, चंचलता, और विशिष्टता ग्लाइकोसिलेशन द्वारा ग्लाइकोप्रोटीन को दी लिए एक प्रशंसा प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक पॉलीपेप्टाइड सब्सट्रेट केवल 10 ग्लाइकोसिलेशन स्थलों की है और प्रत्येक साइट के केवल 3 अलग मोनोसैकराइड को कम करने के सिरों में से 1 के साथ एक glycosidic संबंध फार्म कर सकते हैं, तो फिर, सैद्धांतिक रूप से, अंतिम ग्लाइकोप्रोटीन 3 से 10 = 59,049 विशिष्ट पहचान मान सकते हैं। ग्लाइकोप्रोटीन में, glycosidic लिंकेज सामान्यतः पक्ष श्रृंखला नाइट्रोजन ओ के साथ फार्मअनुक्रम Asn-X-सेवा में च asparagine अवशेषों / Thr एन सेरीन और threonine अवशेषों की 2 और पक्ष श्रृंखला hydroxyls -glycans हे -glycans 4 उपज उपज (एक्स प्रोलाइन को छोड़कर किसी भी एमिनो एसिड) हो सकता है। एक सेल के glycome की संरचना (यानी, ग्लाइकोसिलेशन उत्पादों के अपने पूरक) अद्वितीय और सीमित है, क्योंकि कुछ अपवादों के साथ, glycosyltransferases सख्त दाता, स्वीकर्ता, और लिंकेज विशिष्टता दिखा रहे है। 5 महत्वपूर्ण और प्रचुर मात्रा में रक्त प्लाज्मा ग्लाइकोप्रोटीन एक बहाव के परिणाम के रूप में न्यायपालिका ग्लाइकोसिलेशन पीड़ित असामान्य glycosyltransferase अभिव्यक्ति और गतिविधि के कई रोग की स्थिति, विशेष रूप से कैंसर और भड़काऊ रोगों के कारण है। 6-24
मुख्य रूप से epigenetic कारकों की वजह से, glycome स्तनधारी जीनोम के लगभग 1% गठन, संशोधन को कूटबद्ध जबकि काफी अधिक विविध गतिशील, और proteome और transcriptome से जटिल है। 25,26, औरग्लाइकान की विधानसभा, एक गैर टेम्पलेट चालित ढंग-एक चिह्नित विपरीत में 27 ग्लाइकोसिलेशन आगम पॉलीपेप्टाइड और न्यूक्लिक एसिड biosynthesis करने के लिए। रिश्तेदार मात्रा और ग्लाइकोसिलेशन एंजाइमों और पोषक तत्व और अग्रदूत उपलब्धता के रूप में इस तरह के पर्यावरणीय कारकों की गतिविधि के बीच परस्पर क्रिया अंततः प्रकृति, दर, और ग्लाइकोसिलेशन की हद तक निर्धारित करता है। 5,28 Embryogenesis (जैसे, दृढ़ संकल्प और भेदभाव), सेलुलर सक्रियण, और प्रगति के माध्यम से सेल चक्र प्रभाव जीन अभिव्यक्ति (यानी, प्रतिलेखन और अनुवाद) और पहचान और उपलब्ध glycosyltransferases की मात्रा, जिसका गतिविधि सेल के glycan प्रोफ़ाइल के तत्काल नदी के ऊपर निर्धारक है परिवर्तन। क्योंकि (कुछ) proliferative, चिपकने वाला, और कैंसर कोशिकाओं के आक्रामक गुण साधारण embryogenic कोशिकाओं, glycan biosynthetic रास्ते (जैसे, अग्रदूत संचय, नियंत्रण मुक्त अभिव्यक्ति, aberran में विशिष्ट परिवर्तन की उन जैसे लगते हैं। टी संशोधन, संरचनात्मक ट्रंकेशन, या उपन्यास गठन) के रूप में सार्वभौमिक कैंसर बायोमार्कर कि ट्यूमर गठन, प्रगति, प्रवास, और आक्रमण 29 के विभिन्न चरणों से संकेत मिलता है हालांकि ग्लाइकोसिलेशन अत्यधिक जटिल, जाहिर है केवल ग्लाइकोसिलेशन में कुछ परिवर्तन कैंसरजनन और मेटास्टेसिस सक्षम कर सकते है की सेवा; जाहिर है, कुछ "न्यायपालिका" ग्लाइकोसिलेशन उत्पादों वास्तव में प्रतिरक्षा मान्यता से बचने और दुर्गम intravascular और मेटास्टेटिक वातावरण में पलायन की मांग को जीवित करने के लिए उन्हें सक्षम करने से कैंसर कोशिकाओं को फायदा होगा। 28,30,31 आश्चर्य नहीं, कि प्रयोगों में खलल न डालें या बदल के पैटर्न को रोकने से पता चला है जीन अभिव्यक्ति और न्यायपालिका glycan गठन बहरहाल tumorigenesis रोक सकते हैं। 29, न्यायपालिका एक biofluid नमूना (जैसे, मूत्र, लार, और रक्त प्लाज्मा या सीरम) में पाया ग्लाइकान कैंसर के प्रत्यक्ष संकेतक (या किसी अन्य रोग), बल्कि नीचे की ओर नहीं हो सकता सूक्ष्म अभी तक महत्वपूर्ण के परिणामोंप्रतिरक्षा प्रणाली या एक अप्रत्याशित अंग में एक सांघातिक हालत की मात्रात्मक नतीजों में बदल जाता है। 32
वे glycome के बारे में व्यापक जानकारी, कई आणविक बातचीत के आधार पर Glycomics तकनीक (जैसे, लेक्टिन / एंटीबॉडी और चयापचय / सहसंयोजक लेबलिंग) प्रदान हालांकि पूरे glycan संरचनाओं का पता लगाने पर निर्भर करते हैं और अलग-अलग ग्लाइकान के बारे में विस्तृत जानकारी संरचनात्मक प्रदान नहीं करते। उल्लेखनीय इसके विपरीत, मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एमएस) की पहचान में मदद मिलेगी और व्यक्ति glycan संरचनाओं यों और पॉलीपेप्टाइड कोर के लिए लगाव साइटों के रूप में इस तरह के संरचनात्मक जानकारी प्रकट कर सकते हैं। नियंत्रण मुक्त अभिव्यक्ति या केवल एक glycosyltransferase की गतिविधि कई ग्लाइकोसिलेशन रास्ते में हानिकारक आणविक घटनाओं की एक झरना आरंभ कर सकते हैं। क्योंकि प्रत्येक glycosyltransferase एक से अधिक glycoconjugate सब्सट्रेट पर और अलग से बढ़ glycan पॉलिमर भर में काम कर सकते हैं, अविनियमित biosynthetic cascades उपज disproportionally बड़ा पूल की तुलना में केवल एक glycan उत्पाद की मात्रा लेकिन अंतर या बाह्य तरल पदार्थ में न्यायपालिका ग्लाइकान के कई विषम कक्षाओं में वृद्धि हुई। 33 हालांकि, इस तरह के अनूठे न्यायपालिका ग्लाइकान कभी कभी कैंसर या अन्य glycan-भावात्मक विकृतियों क्योंकि लिए बायोमार्कर के रूप में अव्यावहारिक माना जाता है, की अच्छी तरह विनियमित ग्लाइकान, इन न्यायपालिका ग्लाइकान एक बहुत छोटा सा अंश है कि अक्सर भी मास स्पेक्ट्रोमेट्री के रूप में इस तरह के अति संवेदनशील तकनीक द्वारा undetectable रह सकती है प्रतिनिधित्व करते हैं। उदाहरण के लिए, अंतर और बाह्य शरीर के तरल पदार्थ में, व्यापक प्रोटीन एकाग्रता स्पेक्ट्रम (जो परिमाण के आठ आदेशों तक फैला) दुर्लभ ग्लाइकोप्रोटीन कि अधिक प्रचुर मात्रा में प्रजातियों द्वारा नकाबपोश कर रहे हैं का पता लगाने को रोका जा सकता। 32 इसके अलावा, glycosyltransferase गतिविधि का निर्धारण करने के लिए एक काफी व्यावहारिक बनी हुई है और सैद्धांतिक चुनौती है क्योंकि कई glycosyltransferases नैदानिक biofluids में अनुपस्थित या निष्क्रिय पूर्व vivo हो जाते हैं। Consisten की कठिनाई के बावजूदtly का पता लगाने और अद्वितीय पूरे ग्लाइकान की अल्ट्रा मिनट मात्रा बढ़ाता, मास स्पेक्ट्रोमेट्री के चिकित्सकों नैदानिक मार्कर के रूप में बरकरार ग्लाइकान रोजगार की ओर भारी प्रगति की है। हमने हाल ही में बरकरार ग्लाइकान का विश्लेषण करने के लिए एक पूरक दृष्टिकोण है कि, रोजगार जीसी एमएस, सभी घटक शाखा-बिंदु और लिंकेज-विशिष्ट monosaccharides ( "glycan नोड्स") है कि एक साथ प्रत्येक glycan करने के लिए और कई में विशिष्टता प्रदान का पता लगाने की सुविधा विकसित किया है मामलों सीधे रूप में आणविक surrogates कि दोषी glycosyltransferase (एस) के रिश्तेदार गतिविधि यों सेवा करते हैं।
इसके बाद से पहली बार 1958 में glycan विश्लेषण करने के लिए सीधे आवेदन सूचना दी, गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी) एक शक्तिशाली तकनीक साबित कर दी है, 34 प्रति-methylated मोनो और डिसैक्राइड विश्लेषण उनकी anomericity और निरपेक्ष विन्यास निर्धारित करते हैं, और बाद में बड़े पैमाने पर spectrometric विश्लेषण के लिए उन्हें अलग करने के लिए। 35 1984 और 2007, Ciucanu और सहयोगियों के बीचशुरू की है और एक ठोस चरण glycan permethylation तकनीक है कि सोडियम हाइड्रोक्साइड और iodomethane कार्यरत हैं, permethylated ग्लाइकान की तरल / तरल निष्कर्षण के द्वारा पीछा पानी और क्लोरोफॉर्म। 35,36 का उपयोग कर परिष्कृत 2005 और 2008 के बीच, कांग और सह कार्यकर्ताओं एकीकृत एक समय की बचत स्पिन permethylation कदम में -column दृष्टिकोण। 37,38 2008 में, Goetz अनुसंधान समूह की तुलना और संभावित आक्रामक और गैर भेद करने के लिए मैट्रिक्स की मदद से लेजर desorption-आयनीकरण (MALDI) मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग glycan-प्रोफाइलिंग विधि permethylation एक मात्रात्मक ठोस चरण तैयार -invasive स्तन कैंसर की कोशिकाओं, 39 तो, 2009 में, Goetz टीम संयुक्त एंजाइमी और रासायनिक रिलीज तकनीक एक उच्च क्षारीय ठोस चरण permethylation योजना में फोड़ना करने हे बरकरार ग्लाइकोप्रोटीन से -glycans 40 यद्यपि Goetz प्रक्रिया एक साथ permethylation और रासायनिक रिहाई में मदद की। हे -glycans की, यह केवल पूर्व पृथक glyco करने के लिए लागू किया गया थाप्रोटीन। हम 2013 में इस तकनीक को संशोधित और trifluoroacetic एसिड को शामिल करके पूरे unfractionated biofluids और homogenized ऊतकों के नमूनों के लिए इसे अनुकूलित (टीएफए) हाइड्रोलिसिस, कमी, और एसिटिलीकरण कदम। 33 इन अतिरिक्त कदम भी glycolipids और एन से ग्लाइकान रिलीज ग्लाइकान ग्लाइकोप्रोटीन से से जुड़े और कन्वर्ट आंशिक रूप से मिथाइल एसीटेट alditol (PMAAs, चित्रा 1), जिसका विशिष्ट मेथिलिकरण और एसिटिलीकरण पैटर्न जीसी एमएस और विशिष्ट द्वारा विश्लेषण की सुविधा मूल बरकरार glycan बहुलक 41 (चित्रा 2) में संविधान glycan नोड्स को चिह्नित में उन्हें। 33 अंतत: यह प्रक्रिया इस तरह के "मूल fucosylation", "6-sialylation", "GlcNAc bisecting", और "बीटा 1-6 शाखाओं में बंटी 'के रूप में अद्वितीय glycan सुविधाओं के प्रत्यक्ष, रिश्तेदार मात्रा का ठहराव के आधार पर एक जटिल biofluid में सभी ग्लाइकान की एक समग्र चित्र का उत्पादन – प्रत्येक एक एकल जीसी एमएस chromatograp से निकाली गईयहाँ शिखर। यह लेख permethylation के आगे अनुकूलन, एसिटिलीकरण, अलगाव, और रिश्तेदार मात्रा का ठहराव के मोड में सुधार के साथ-साथ साफ-अप चरणों प्रस्तुत करता है।
सामान्य तौर पर, hexoses से आंशिक रूप से मिथाइल एसीटेट alditol के सफल उत्पादन (PMAAs) कम कठिनाइयों से भरा है और एन -acetylhexosamine (HexNAc) PMAAs के सफल उत्पादन की तुलना में अधिक मजबूत है। इस घटना के रूप में यह इस प्रक्रिया के हर कदम म?…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the College of Liberal Arts and Sciences of Arizona State University in the form of laboratory startup funds to CRB. It was also supported by a grant from Flinn Foundation (Grant No. 1977) and by the National Cancer Institute of the National Institutes of Health under Award Number R33CA191110. JA was supported by the National Institute of General Medical Sciences of the National Institutes of Health Postbaccalalureate Research Education Program (PREP) under award number R25GM071798. The content is solely the responsibility of the authors and does not necessarily represent the official views of the National Institutes of Health.
Sodium hydroxide beads | 367176 | Sigma-Aldrich | 20-40 mesh, reagent grade 97% |
0.9 mL Spin column | 69705 | Pierce division of ThermoFisher Scientific | Includes plugs and polyethylene frits |
GC-MS autosampler vial (silanized)* | C4000-9 | ThermoFisher Scientific | Target DP High Recovery Vial, 1.5 mL, 12 x 32 mm, Includes Teflon-lined pierceable caps |
1.5 mL polypropylene test tubes | 05-402-25 | ThermoFisher Scientific | Snap-cap lid |
2 mL polypropylene test tubes | 05-408-138 | ThermoFisher Scientific | Snap-cap lid |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | D8418 | Sigma-Aldrich | BioReagent for molecular biology, reagent grade >99.0% |
Iodomethane | I8507 | Sigma-Aldrich | Contains copper as stabilizer, ReagentPlus 99% |
Acetonitrile | A955-4 | ThermoFisher Scientific | Optima LC/MS |
Microcentrifuge | 75002436: Sorvall Legend Micro 17 Centrifuge | ThermoFisher Scientific | 24 x 1.5/2.0 rotor with ClickSeal biocontainment lid. Rotor catalog number: 75003424 |
13 x 100 glass test tube (silanized)* | 53283-800 | VWR | 13 x 100 mm borosilicate glass test tubes with screw-cap finish |
Caps for glass test tubes | 14-930-15D | ThermoFisher Scientific | Kimble™ Black Phenolic Screw Caps; 13mm-415 GPI thread; PTFE-faced rubber liner. |
Sodium chloride | S7653 | Sigma-Aldrich | >99.5% pure |
Chloroform | 4440-08 | Macron Fine Chemicals | |
Trifluoroacetic acid | 299537 | Sigma-Aldrich | 99% purified by redistillation for protein sequencing |
Sodium borohydride | 71321 | Fluka Analytical | 99% |
Ammonium hydroxide solution | 320145 | Sigma-Aldrich | NH3 content: 28.0 – 30.0% |
Methanol | AH230-4 | Honeywell Burdick & Jackson | HPLC grade |
Acetic acid | 320099 | Sigma-Aldrich | 99.70% |
Plastic vacuum desiccator | Any model of adequate size | FoodSaver | |
Acetic anhydride | 539996 | Sigma-Aldrich | 99.50% |
Dichloromethane | D143SK-4 | ThermoFisher Scientific | Stabilized HPLC grade |
Acetone | 9006-03 | J.T.Baker | Baker Analyzed |
Heated evaporation manifold (main unit) | pi18823 | ThermoFisher Scientific | Thermo Scientific* Reacti-Therm* Heating and Stirring Module; Triple-block Model with Heating and Stirring Function |
Heated evaporation manifold (overhead evaporator) | pi18826 | ThermoFisher Scientific | ThermoScientific* Reacti-Vap Evaporator, 27-port; For use with triple-block Reacti-Therm heating module |
Aluminum sample-holder blocks for evaporation manifold | pi18816 | ThermoFisher Scientific | Block, Aluminum, Reacti-Block S-1, Holds 13mm dia test tubes, 13 holes (14 dia. x 45mm deep) |
Gas chromatograph | Model A7890 | Agilent | Equipped with CTC PAL autosampler |
Mass spectrometer | GCT Premier (Time-of-Flight) | Waters | |
Split-mode liner (deactivated / silanized) | 5183-4647 | Agilent | Containing a small plug of silanized glass wool |
DB-5ms GC column | 122-5532 | Agilent | 30 m x 0.25 mm ID x 0.25 micron film thickness |
Chlorotrimethylsilane | 95541 | Sigma-Aldrich | |
Glass vacuum desiccator (for glassware silanization) | EW-06536-30 | Cole-Parmer | 12" wide; 230 mm plate size |
*Glassware silanization is carried out in-house, overnight using chlorotrimethylsilane vapor in a large glass vacuum desiccator. |