陳光照,楊柳青,文 娟,葛苗苗,張立堅(jiān),蔡 春
(1.廣東醫(yī)學(xué)院分析中心,廣東 湛江 524023;2.四川大學(xué)華西藥學(xué)院,四川 成都 610041)
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液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法分析大鼠血液中基因組DNA羥甲基化水平
陳光照1,楊柳青2,文 娟1,葛苗苗1,張立堅(jiān)1,蔡 春1
(1.廣東醫(yī)學(xué)院分析中心,廣東 湛江 524023;2.四川大學(xué)華西藥學(xué)院,四川 成都 610041)
5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC)是由TET蛋白家族催化氧化5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)生成的,對(duì)哺乳動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。本研究建立了血液樣品中5hmC的液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)測(cè)定方法,采用試劑盒法提取血液基因組DNA,在甲酸環(huán)境下加熱裂解,采用HILIC色譜柱分離,電噴霧電離和多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式定量。結(jié)果表明:5hmC在0.1~50 μg/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)為0.999 4;高、中、低3個(gè)加標(biāo)水平的平均回收率為95.87%,日內(nèi)和日間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.42%和4.12%;5hmC的檢出限(LOD,S/N=3)為0.050 μg/L,定量限(LOQ,S/N=10)為0.100 μg/L。該方法準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定、靈敏,可用于血液樣品全基因組中5-羥甲基胞嘧啶的檢測(cè)分析。
5-羥甲基胞嘧啶(5hmC);液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS);DNA羥甲基化;血液;大鼠
DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,DNMT)介導(dǎo)下,以S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)為甲基供體,將1個(gè)甲基共價(jià)結(jié)合到胞嘧啶環(huán)(Cyt)第5位碳原子上,成為5-甲基胞嘧啶(5mC),5mC在TET(ten-eleven translocation)蛋白加雙氧酶家族催化氧化下生成5-羥甲基胞嘧啶(5hmC)[1]。在哺乳動(dòng)物基因組內(nèi),DNA甲基化修飾在胚胎發(fā)育、基因表達(dá)調(diào)控、X染色體失活、腫瘤與遺傳病等方面發(fā)揮著重要的作用。近年來,隨著TET蛋白家族功能的發(fā)現(xiàn),DNA羥甲基化在表觀遺傳領(lǐng)域越來越受到重視。Jin等[2]指出5hmC存在于人類大腦額葉組織;Robertson等[3]在人類胚胎干細(xì)胞調(diào)控基因的啟動(dòng)子上檢測(cè)到5hmC;Jin等[4]指出DNA中5hmC可以抑制參與5mC轉(zhuǎn)錄調(diào)控的甲基化結(jié)合蛋白,從而導(dǎo)致DNA被動(dòng)去甲基化,這說明5hmC在表觀遺傳中充當(dāng)著重要的角色。
與基因組DNA甲基化檢測(cè)方法不同,絕大多數(shù)方法,如限制性內(nèi)切酶處理和重亞硫酸鹽測(cè)序都不能區(qū)分5mC 和5hmC[4-5]。由于5hmC在體內(nèi)的含量較低,定量檢測(cè)基因組DNA中的5hmC在技術(shù)上具有一定的挑戰(zhàn)性。5hmC現(xiàn)有的檢測(cè)方法有:薄層色譜法[6]、液相色譜法[6-7]、免疫組織化學(xué)法[8]、糖基化法和在糖基化基礎(chǔ)上的化學(xué)標(biāo)記法[9-10];另外,通過單分子實(shí)時(shí)測(cè)序法[9]和應(yīng)用氧化重硫酸鹽測(cè)序法也能對(duì)5hmc進(jìn)行定量測(cè)定[11-12],但是,這些分析方法均存在半定量或效率不高的局限。近年來,液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS/MS)在表觀遺傳領(lǐng)域的發(fā)展較快,陳麗宇、張立堅(jiān)等[13-15]采用LC-MS/MS法檢測(cè)了組織中的5hmC含量,具有快速、靈敏、準(zhǔn)確性高、檢測(cè)限低等特點(diǎn),但尚未發(fā)現(xiàn)血液中5hmC的LC/MS分析報(bào)道。
本研究采用試劑盒法提取血液中全基因組DNA,并用甲酸加熱水解,親水作用色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測(cè)定DNA水解堿基Cyt、5mC與5hmC的含量,并分析SD大鼠血液中DNA羥甲基化水平,以期為血液樣品中5hmC定量測(cè)定提供方法參考。
1.1 儀器與試劑
3K15臺(tái)式高速冷凍離心機(jī):德國(guó)Sigma公司產(chǎn)品;Agilent 1200-6430A液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀:美國(guó)Agilent公司產(chǎn)品。
胞嘧啶(Cytosine,Cyt)、5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)、5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosing,5hmC)標(biāo)準(zhǔn)品:德國(guó)Sigma公司產(chǎn)品;同位素胞嘧啶(Cytosine-13C15N2,Cyt13C15N2): Toronto research chemicals Inc公司產(chǎn)品;血液/細(xì)胞/組織基因組DNA提取試劑盒:天根生化科技(北京)有限公司等4家公司產(chǎn)品;乙腈、甲酸(色譜純):德國(guó)Merck公司產(chǎn)品;甲酸銨(色譜純):美國(guó)Sigma-Aldrich公司產(chǎn)品;無水乙醇為分析純;實(shí)驗(yàn)用水:由美國(guó)Millipore公司超純水器制備。
1.2 血液樣品DNA提取和處理
1.2.1 血液樣品DNA提取 抽取16周齡SPF級(jí)的SD大鼠心臟血液于血常規(guī)試管中,以3 000 r/min離心5 min,取3~4 mL下層血液,按照試劑盒的說明步驟提取血液全基因組DNA。
1.2.2 DNA的水解及處理 取約1 μg DNA和200 μL 50 μg/L的Cyt13C15N2于反應(yīng)瓶中,用N2吹干,加入200 μL 88%甲酸,于140 ℃下反應(yīng)90 min,冷卻至室溫后用N2吹干,再加入200 μL乙腈-7 mmol/L甲酸銨水溶液(93∶7,V/V)溶解,以15 000 r/min離心5 min,取上清液,供LC-MS/MS分析。
1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制
分別準(zhǔn)確稱取一定量的Cyt、5mC和5hmC固體標(biāo)準(zhǔn)品,用甲醇溶解并定容,配制成1 mg/L的Cyt、5mC及5hmC標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。準(zhǔn)確稱取一定量的Cyt13C15N2內(nèi)標(biāo)物,用甲醇溶解并定容,配制成1 mg/L的Cyt13C15N2內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。所有儲(chǔ)備液在4 ℃下避光保存,使用時(shí)用流動(dòng)相逐級(jí)稀釋成混合標(biāo)準(zhǔn)工作液。
1.4 儀器條件
1.4.1 液相色譜條件 BEH HILIC色譜柱(100 mm×2.1 mm×1.7m);流動(dòng)相:A為7 mmol/L 甲酸銨,B為乙腈;流速0.3 mL/min,柱溫20 ℃,進(jìn)樣量5 μL;梯度洗脫程序:0—1.5 min,93%B;1.5—3.7 min,93%B降至50%B;3.7—8.7 min,維持50%B;8.7 min,升至93%B;8.7—15 min,93%B維持7 min。
1.4.2 質(zhì)譜條件 電噴霧電離源(ESI),正離子模式;多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM)定量;5hmc的母離子m/z142.0,定量離子m/z124.0,定性離子m/z81.0;干燥氣溫度350 ℃,干燥氣流速10 L/min;毛細(xì)管電壓4 000 V。Cyt、5mC分析條件參見文獻(xiàn)[15]。
2.1 血液DNA提取及水解條件優(yōu)化
DNA提取的質(zhì)量對(duì)后續(xù)的質(zhì)譜定量分析有著重要的影響。為探討不同試劑盒提取血液DNA對(duì)后續(xù)分析的差異,比較了4家公司生產(chǎn)的血液基因組DNA提取試劑盒的提取效果,并設(shè)置空白對(duì)照組。用紫外光度法檢測(cè)發(fā)現(xiàn),4種試劑盒提取的DNA純度均較好,A260/A280值均在1.7~1.9之間。但在瓊脂糖凝膠電泳圖上可見:c和d兩個(gè)廠家生產(chǎn)的試劑盒提取的DNA降解明顯,拖尾現(xiàn)象較嚴(yán)重;a和b兩個(gè)廠家生產(chǎn)的試劑盒提取效果則較好,DNA較完整、條帶明亮,示于圖1。綜合DNA提取效果、操作簡(jiǎn)便程度和試劑盒成本等因素,本實(shí)驗(yàn)選擇了天根公司的基因組DNA提取試劑盒進(jìn)行血液樣品基因組DNA的提取。
注: a.天根公司試劑盒;b.QIAGEN公司試劑盒; c.某生物公司的小量抽提試劑盒; d.某生物公司的磁珠法試劑盒(血液);M. DNA標(biāo)記圖1 不同公司試劑盒提取的DNA電泳結(jié)果Fig.1 DNA electrophoresis results of different corporations’ kit
在DNA裂解環(huán)節(jié),通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照實(shí)驗(yàn)和空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)考察樣品的水解是否對(duì)LC-MS/MS靈敏度和分離度產(chǎn)生干擾。采用DNA提取試液加標(biāo)準(zhǔn)溶液作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照實(shí)驗(yàn),采用DNA提取試液作空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)。LC-MS/MS分析結(jié)果顯示:與標(biāo)準(zhǔn)樣品的色譜圖比較,標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照色譜峰的靈敏度和分離度均較好;空白對(duì)照顯示基線沒有干擾峰,說明水解過程對(duì)LC-MS/MS分析沒有影響。
2.2 質(zhì)譜條件的優(yōu)化
為提高目標(biāo)化合物的響應(yīng),對(duì)質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。分別加入5 μL 1 mg/L的5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2標(biāo)準(zhǔn)溶液,在正、負(fù)離子模式下,m/z50~500范圍內(nèi)進(jìn)行全掃描,以選擇合適的準(zhǔn)分子離子峰和電離方式。5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2在正離子模式下的響應(yīng)較高,示于圖2。在選擇離子監(jiān)測(cè)模式下,優(yōu)化了5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2的錐孔電壓值,使其響應(yīng)達(dá)到最高;并在多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式下對(duì)5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2的定量和定性離子的碰撞能量進(jìn)行了優(yōu)化,最終選用m/z142.0/124.0、112.0/95.0、126.0/109.0、115.0/97.0分別作為5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2的定量離子對(duì);選用m/z142.0/81.0、112.0/69.0、126.0/83.0、115.0/70.0分別作為對(duì)應(yīng)的輔助定性離子對(duì)[16]。
2.3 色譜條件的選擇
2.3.1 色譜柱的選擇 Cyt、5mC和5hmC都是
極性較強(qiáng)的化合物,在反相色譜柱中幾乎沒有保留,因而無法分離。HILIC色譜柱對(duì)極性樣品有很好的保留和分離能力,能滿足極性較強(qiáng)的樣品分析。此外,由于HILIC流動(dòng)相含有高濃度的有機(jī)溶劑,有利于增強(qiáng)電噴霧質(zhì)譜的離子化效率,從而提高分析靈敏度,與質(zhì)譜具有很好的兼容性,為此,選擇HILIC色譜柱分離這3個(gè)組分。
2.3.2 流動(dòng)相的優(yōu)化 為了優(yōu)化Cyt、5mC和5hmC在HILIC色譜柱中的保留和分離條件,探討了乙睛和水相的比例、甲酸銨溶液濃度及流動(dòng)相流速對(duì)樣品分離及靈敏度的影響。
在固定流速下,乙腈的比例升高,5hmC的峰面積增加,但峰寬增大;然而,水相的比例升高,色譜峰的峰寬變小,但響應(yīng)降低,出峰時(shí)間縮短,目標(biāo)組分易受干擾。綜合考慮上述因素,采用1.4.1節(jié)中的梯度洗脫程序進(jìn)行洗脫。
圖2 5hmC、Cyt、5mC和Cyt13C15N2的全掃描(a, c, e, g)和子離子優(yōu)化(b, d, f, h)圖Fig.2 Full-scan(a, c, e, g) and product ion optimization(b, d, f, h) spectrogram of 5hmC, Cyt, 5mC and Cyt13C15N2, respectively
在已優(yōu)化的梯度洗脫條件下,分別配制2.5、5、7、10、15 mmol/L甲酸銨溶液的水相,考察5hmC的靈敏度和峰面積,發(fā)現(xiàn)甲酸銨濃度為7 mmol/L時(shí),5hmC的峰形、靈敏度、分離度及重現(xiàn)性較好。同時(shí)優(yōu)化了流動(dòng)相流速,結(jié)果表明,采用7 mmol/L甲酸銨水溶液和乙腈作為流動(dòng)相,以0.3 mL/min流速進(jìn)行梯度洗脫時(shí),Cyt、5mC和5hmC的分離度和靈敏度均較好,且這3個(gè)組分也沒有相互干擾,色譜圖示于圖3。
2.4 線性范圍、檢出限及定量限
分別配制0.1、0.5、1、5、10、15、30 μg/L的5hmC標(biāo)準(zhǔn)溶液,各濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液中內(nèi)標(biāo)Cyt13C15N2的質(zhì)量濃度均為50 μg/L,在優(yōu)化條件下進(jìn)行測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)中DNA樣品含有一定量的5hmC,故采用標(biāo)準(zhǔn)溶液法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。以5hmC的質(zhì)量濃度(x,μg/L)為橫坐標(biāo),色譜峰面積(y)為縱坐標(biāo),進(jìn)行線性回歸,得到Cyt、5mC和5hmC的回歸方程列于表1。Cyt、5mC和5hmC的線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)均大于0.99。以信噪比大于3確定樣品的檢出限(LOD),以信噪比大于10確定樣品的定量限(LOQ),結(jié)果列于表1。
2.5 重復(fù)性和精密度實(shí)驗(yàn)
取同一DNA樣品在同一天的2、4、6、8、10 h及第1、2、3、4、5 d進(jìn)行重復(fù)測(cè)試;取10 μg/L 5hmC標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)進(jìn)樣6次。結(jié)果表明,5hmC測(cè)定值的日內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)和日間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.42%和4.12%,精密度RSD為3.79%,說明方法的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。
2.6 方法的回收率
為考察分析方法的準(zhǔn)確性,在裂解瓶中分別加入200 μL 25、5和1 μg/L的5hmC標(biāo)準(zhǔn)溶液,用N2吹干,按1.2.2節(jié)DNA的水解及處理方法操作,結(jié)果列于表2。在不同的加標(biāo)濃度下,Cyt、5mC和5hmC的回收率均在92%~103%之間,RSD小于7%,可見該方法的準(zhǔn)確性較高。
圖3 化合物Cyt, Cyt13C15N2, 5mC, 5hmC的分離色譜圖Fig.3 Chromatographic separation of Cyt, Cyt13C15N2, 5mC and 5hmC
2.7 血液樣品分析
平行抽取16周齡SPF級(jí)的SD大鼠血液,按照1.2節(jié)的方法提取和處理樣品,采用LC-MS/MS檢測(cè),并分別通過2.4節(jié)的線性方程得出DNA中Cyt、5mC和5hmC的摩爾濃度M。通過公式T=Mshmc/[MCyt+M5mC+M5hmC]×100%計(jì)算DNA羥甲基化程度。結(jié)果表明,SD大鼠血液基因組DNA中羥甲基化水平為0.48%(RSD=3.42%,n=10),表明本方法適用于血液基因組DNA羥甲基化水平的分析。
表1 Cyt、5mC和5hmC的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限
表2 5hmC加標(biāo)回收率及精密度(n=6)
本研究建立了LC-MS/MS方法分析血液全基因組中的5hmC,該方法可在3 h內(nèi)完成SD大鼠血液中5hmC全過程的分析。結(jié)果表明,DNA的甲酸水解方法較酶解法更節(jié)約樣品處理時(shí)間,HILIC柱適合保留和分離Cyt、5mC和5hmC,該方法具有快速、靈敏、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn),適用于血液中5hmC的分析檢測(cè)。
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Analysis of Global DNA Hydroxymethylation in Rats’ Blood by Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry
CHEN Guang-zhao1, YANG Liu-qing2, WEN Juan1, GE Miao-miao1,ZHANG Li-jian1, CAI Chun1
(1.AnalysisCenterofGuangdongMedicalCollege,Zhanjiang524023,China;2.WestChinaSchoolofPharmacy,SichuanUniversity,Chengdu610041,China)
5-Hydroxymethylcytosine (5hmC), which was formed from the enzymatic oxidation of 5-methylcytosine (5mC) by TET proteins family, played an important role in gene transcription and expression regulation as a new epigenetic modified in mammal animal. A method for global DNA hydroxymethylation in blood sample of rats using hydrophilic interaction liquid chromatography-tandem mass spectrometry(LC-MS/MS) was developed. Genomic DNA from blood samples was extracted by genomic DNA isolation kit, and then was hydrolyzed with formic acid at 140 ℃. The LC separation was conducted on Waters HILIC column by gradient elution with acetonitrile-7 mmol/L ammonium formate as mobile phase, and the analysis were performed by tandem MS with positive ion electrospray ionization (ESI+) in multiple reaction monitoring (MRM) mode. The results show that the calibration curve with a good linearity in the concentration range of 0.1-50 μg/L is established for 5hmC, and the correlation coefficients are higher than 0.999. The limit of detection (LOD, S/N=3) and the limit of quantification (LOQ,S/N=10) for 5hmC are 0.050 and 0.100 μg/L, respectively. The relative standard deviations (RSD) of the intra-day and inter-day precision are 3.42% and 4.12%, respectively. The recovery of the spiked standards varies from 92.51% to 102.19%. The method is applied to analyze the hydroxymethylation level of genomic DNA from the blood samples of rats, and a average 5hmC degree of 0.48% is acquired. The method is available for the determination of global DNA hydroxymethylation in blood for its simplicity, speediness, and precision.
5-hydroxymethylcytosing(5hmC); liquid chromatography-tandem mass spectrometry(LC-MS/MS); DNA hydroxymethylation; blood; rat
2014-07-08;
2014-08-25
國(guó)家自然科學(xué)基金(21375029);廣東省學(xué)科建設(shè)基金(2013CXZDA018)資助
陳光照(1990—),男(漢族),廣東湛江人,碩士研究生,生物醫(yī)學(xué)分析專業(yè)。E-mail: 849405005@qq.com
蔡 春(1961—),男(漢族),廣東湛江人,教授,從事生物醫(yī)學(xué)分析研究。E-mail: caichun@gdmc.edu.cn
時(shí)間:2015-01-30;
http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20150130.1551.011.html
O657.63
A
1004-2997(2015)03-0249-06
10.7538/zpxb.youxian.2015.0011