刺梨不同提取物的非靶向代謝組學比較與分析

劉含,郭銀萍,穆興燕,劉曉燕,2*,岑順友

1(貴陽學院 食品與制藥工程學院,貴州 貴陽,550005)2(貴州省果品加工工程技術研究中心,貴州 貴陽,550005) 3(貴州宏財聚農投資有限責任公司,貴州 六盤水,553535)

刺梨(RosaroxburghiiTratt)系薔薇科薔薇屬藥食同源植物[1],主要分布在我國西南地區[2]。因其獨特的風味而備受關注,并且富含多糖、維生素、黃酮、多酚等具有藥理功效的成分[3],使得刺梨果實在醫藥領域擁有較高的保健和藥用價值[4]。在藥理方面的研究顯示,刺梨具有抗氧化、抗衰老、降血糖[5]、治療胃潰瘍、促進消化、抗動脈粥樣硬化等多種藥理作用[6]。

國內對刺梨的研究已經十分火熱,但也局限于傳統方法的研究,如營養特性及產品開發,抗氧化、降血糖、降血脂等。針對刺梨活性成分的研究大多是從多酚、多糖等單一化合物的角度進行,且刺梨在代謝組學方面的研究鮮有報道。同一物質用不同溶劑提取,其含量、特性都可能發生改變,非靶向代謝組學能系統、全面地分析,獲取大量代謝物的數據,從而解析提取物中小分子的差異。代謝物提取是代謝組學研究中最關鍵的一步,選擇合適的提取方法為后續利用代謝組學尋找刺梨具有功能活性的關鍵代謝產物提供了有效的方法,有利于對刺梨中各代謝物進行深入研究。

代謝組學(metabolomics)是在特定條件下對生物體所含代謝物整體進行定性定量,可揭示特定時間和特定條件下代謝物的種類和含量,覆蓋范圍廣[7],對于20多萬種的植物代謝物[8],代謝組學的思路對其具有較大的意義。依據檢測方式與研究目的的不同,代謝組學被分為非靶向和靶向[9]。非靶向旨在檢測出樣品中所有的代謝物,能發現一些新的化合物。由于數據庫數據不全,定性時較為困難,也只能相對定量[10]。但它的優勢在于整體性的檢測出樣品中的化合物,以便于后續鑒定分析。靶向代謝組學能較為精確的定量出目標代謝物[11]。本文采用非靶向代謝組學對刺梨不同提取物進行分析,通過整體檢測刺梨中的化合物,結合多元統計方法篩選出目標代謝物,對代謝物進行分析,查閱文獻發現其具有的功能活性,為進一步研究提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

刺梨,貴州省龍里縣;甲醇、乙腈(純度≥99.9%),美國Thermo公司;2-氯苯丙氨酸(純度98.5%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;甲酸(純度≥ 98%),東京化成工業株式會社;甲酸銨(純度≥ 99%),美國Sigma-Aldrich公司;H2O(純度100%),美國Millipore公司。

Vanquish液相色譜儀、Q-Exactive質譜儀,美國Thermo公司;ACQUITY UPLC?HSS T3 1.8 μm (2.1 mm×150 mm)色譜柱,美國Waters公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 提取物制備

刺梨全果提取物水-乙醇(占比60%)溶液的制備:稱取刺梨樣品按料液比1∶10(g∶mL)與混合,45 ℃水浴2 h,45 ℃、功率200 W超聲30 min,過濾,收集濾渣,重復提取2次合并濾液,蒸發濃縮至浸膏狀,分別用水和60%乙醇定容得到25 mL刺梨粗提物,置于-20 ℃冰箱保存備用(6個生物學重復樣本)。

刺梨果渣(由同批次刺梨果壓榨干燥得到)提取物的處理同1.2.1節。

1.2.2 樣本預處理

精確稱量樣本200 mg(±1%)于2 mL EP管中,準確加入0.6 mL 2-氯苯丙氨酸(4 mg/L)甲醇(-20 ℃)配制,渦旋振蕩30 s加入100 mg玻璃珠,放入組織研磨器中,55 Hz研磨60 s室溫超聲15 min;12 000 r/min,4 ℃離心10 min,取上清液300 μL 過0.22 μm膜過濾,過濾液加入到檢測瓶中用剩余待測樣本進行超高效液相色譜-高分辨質譜技術(ultra high performance liquid chromatography high resolution mass spectrometry, UPLC-HRMS)檢測。

1.2.3 色譜-質譜分析

色譜條件:采用ACQUITY UPLC?HSS T3 1.8 μm (2.1 mm×150 mm)色譜柱,自動進樣器溫度設為8 ℃,以0.25 mL/min的流速,40 ℃的柱溫,進樣2 μL進行梯度洗脫,流動相為正離子0.1%(體積分數)甲酸水(C)-0.1%甲酸乙腈(D);負離子5 mmol/L甲酸銨水(A)-乙腈(B)。梯度洗脫程序為0～1 min,2%B/D;1～9 min,2%～50% B/D;9～12 min,50%～98% B/D;12～13.5 min,98% B/D;13.5～14 min,98%～2% B/D;14～20 min,2% D-正模式(14～17 min,2% B-負模式)。

質譜條件:儀器使用電噴霧離子源(electron spray ionization,ESI),正負離子電離模式,正離子噴霧電壓為3.50 kV,負離子噴霧電壓為2.50 kV,鞘氣30 arb,輔助氣10 arb。毛細管溫度325 ℃,以分辨率70 000進行全掃描,掃描范圍81～1 000,并采用HCD進行二級裂解,碰撞電壓為30 eV,同時采用動態排除去除無必要的MS/MS信息[12]。

1.2.4 數據預處理

通過Proteowizard軟件對原始數據進行分析及處理,利用R語言的XCMS程序包進行峰識別、峰過濾、峰對齊;得到包括質荷比、保留時間及峰面積等信息的數據矩陣。

1.2.5 物質鑒定

代謝物的鑒定首先根據精確分子質量進行確認,后續根據MS/MS碎片模式對HMDB、METLIN、Massbank、LipidMaps以及mzClound標準品數據庫確認注釋獲得代謝物。

1.3 數據處理

利用SIMCA 14.1軟件進行主成分分析(principal component analysis, PCA),可以判斷不同樣本生物學重復之間代謝組的數據可靠性和穩定性[13]。正交偏最小二乘法判別分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis, OPLS-DA)模型表明各提取物組與其他3個提取物組之間的差異性[14]。對差異代謝物的篩選依據是SIMCA 14.1軟件導出的變量重要性投影(variable importance projection value,VIP)值、P值和差異倍數(fold change,FC)。VIP值>1,P值<0.05及FC≥2和FC≤0.5為一般的差異代謝物篩選標準。在此基礎上,本實驗設定VIP值>1.3、P值<0.01、FC≥3和FC≤0.1篩選最終的顯著差異代謝物。通過MBRole 2.0代謝通路分析功能,根據篩選出來的差異代謝物KEGG ID獲得刺梨不同提取物代謝物的代謝途徑[15]。

2 結果與分析

2.1 提取物數據的穩定性考察

UPLC-HRMS有較高的靈敏性和較廣的分析范圍,樣本中含量極低的物質也能檢測出,因此非靶向代謝組學常用UPLC-HRMS檢測樣品。在刺梨的提取實驗中,常用的方法是水提、醇提。刺梨工業中,刺梨果渣產量巨大且利用率不高,但根據已有研究發現果渣中的活性成分十分豐富,研究前景可觀。故設計以下4種提取方法:刺梨全果水提、刺梨全果醇提、刺梨果渣水提、刺梨果渣醇提,這4種不同提取物的正負離子模式下重疊的總離子流圖(total ion chromatogram,TIC)如圖1所示。

ESI+模式獲得22 447個前體分子,ESI-模式獲得11 835個前體分子。在二級質譜信息中,4種提取方式共得到316種代謝物。主要包括脂類、氨基酸類、糖類、酚類、維生素等,其中脂類68種、氨基酸52種、糖類48種、酚類28種、維生素14種。

A-ESI+;B-ESI-圖1 刺梨不同提取物總離子流圖Fig.1 Total ion flow diagram of different extracts of Rosa roxburghii Tratt

PCA結果(圖2)顯示,刺梨不同提取物的生物學重復都匯集在一起,且全部樣本均位于95%置信區間內[16],表明不同提取物數據的可靠性與穩定性較好,在測定過程中未出現明顯偏差[17]。每個圖形表示一個樣本,不同的組根據圖形的顏色和形狀來區別。圖形之間越近,樣品中代謝物越相似;反之,樣本越遠,其整體代謝物差異越大。通過觀察全部樣本的PCA得分圖,可以體現樣本的總體分布趨勢。PCA顯示出4個主成分,其中主成分1(PC1)的貢獻率為45.8%,主成分2(PC2)的貢獻率為23.2%,不同樣品組在兩個坐標軸上彼此分離,說明刺梨不同提取物的代謝物有一定的差異。

圖2 刺梨不同提取物代謝組的PCA得分Fig.2 PCA scores of different extracts of Rosa roxburghii Tratt

2.2 刺梨不同提取物的差異性比較

為了提高分類效能,在PCA模型初步處理樣本后,采用能降低系統噪聲干擾的OPLS-DA模型分析數據[18]。95%置信區間是衡量樣本可取性的重要指標[19],本次實驗的全部樣本處于區間內,表明本次樣本具有可取性。不同提取物OPLS-DA分析結果表明,每個提取物與其他3個提取物在第一主成分軸上明顯分開,說明其代謝物之間代謝成分差異明顯(圖3)。在圖3四幅OPLS-DA得分圖中樣本間橫向距離越遠說明組間差異越大,縱向距離越近說明組內重復性越好。圖中數據表明,2組樣本存在明顯差異性。

置換檢驗能夠判斷OPLS-DA模型是否過擬合,對于OPLS-DA模型導出的VIP值、P值和FC才更具說服力[20]。圖中橫坐標為保留原始數據的百分比,縱坐標為R2Y或Q2值[21]。最右邊橫縱坐標均為1的點為真實值,左邊所有的模擬預測的R2(>0.9)和Q2(>0.9)都要低于真實值[22],并且R2總是大于Q2,Q2的回歸線截距要小于0.05。對OPLS-DA模型進行200次排列實驗,得到模型評估指標見表1。本次實驗數據均滿足以上條件,表明模型可靠沒有過擬合[23]。

表1 OPLS-DA模型的主要評估指標Table 1 Main evaluation indexes of OPLS-DA model

2.3 差異代謝物的篩選與表征

對316個物質進行差異代謝物篩選,根據VIP值>1、P值<0.05、FC≥2和FC≤0.5共篩選出168個差異代謝物。各提取組相較于其他3組分別篩選到30、42、75、21個差異代謝物。在此基礎上,對不同樣本組之間具有差異的代謝物進行更嚴格的篩選,最終得到49種顯著差異代謝物(VIP>1.3、P<0.01、FC≥3和FC≤0.1)(表2)。

如表2所示,各提取組相較于其他3組篩選出的49種差異代謝物為5種、17種、21種、6種。其中脂類11種、維生素2種、糖類10種、酚類10種、氨基酸6種、核苷酸4種、醇2種、萜類4種。刺梨中的許多代謝產物,如萜類、脂類、酚類、多糖等,對人體具有促進健康的功能。

A-全果水提與其他組對比;B-全果水提置換檢驗;C-全果醇提與其他組對比;D-全果醇提置換檢驗;E-果渣水提與其他組對比; F-果渣水提置換檢驗;G-果渣醇提與其他組對比;H-果渣醇提置換檢驗圖3 刺梨不同提取物代謝物的OPLS-DA得分和置換檢驗Fig.3 OPLS-DA score and displacement test of metabolites of different extracts of Rosa roxburghii Tratt

通過火山圖可以直觀地觀察到各組分與其他組分的篩選出的顯著差異代謝物(圖4),圖中橫坐標表示log2FC縱坐標表示-log10P圓點為不顯著代謝物,菱形為log2FC>0的代謝物,六邊形為log2FC<0的代謝物,篩選出的49種差異代謝物用注釋編號標出。其中全果干粉水提上調代謝物有2個,下調代謝物3個。全果干粉醇提上調代謝物有7個,下調代謝物有10個。果渣干粉水提上調代謝物有19個,下調代謝物有2個。果渣干粉醇提上調代謝物有1個,下調代謝物有5個?？傮w而言,上調差異代謝物多于下調差異代謝物。在本次實驗中,上調差異代謝物黃酮類為最多。有研究發現在一定的條件下脂肪酸會降解為部分黃酮類化合物,這是因為脂類會被相應的酶分解成脂肪酸,并且因為脂肪酸的不穩定性,可在特定條件下分解為酮類和酚類[24]。

如圖5所示,聚類熱圖可將代謝組學數據可視化[25]。每行代表一個代謝物,每列代表一個樣本。4個不同提取物的代謝物水平存在顯著差異,這些特征被投射到熱圖上,并用于樣本聚類。圖中顏色表示相對含量,紅色塊表示含量高表達,白色塊表示含量低表達。差異代謝物在4種不同提取物中的相對含量明顯區分。全果干粉水提中的積雪草酸、兒茶素、精氨基琥珀酸、富馬酸、柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷含量相對較高。全果干粉醇提中的海藻糖、柚皮素查爾酮、抗壞血酸鹽、蜜二糖含量相對較高。果渣干粉水提中的L-蘋果酸、D-木糖、杜松酸、3-甲基硫代丙酸、(-)-表沒食子兒茶素含量相對較高。果渣干粉醇提中的羥基異亮氨酸、異鼠李糖、青蟹肌醇、13-L-氫過氧基亞油酸含量相對較高。

表2 刺梨提取物差異代謝物的鑒定信息Table 2 Identification information of differential metabolites in Rosa roxburghii Tratt extract

A-全果干粉水提;B-全果干粉醇提;C-果渣干粉水提;D-果渣干粉醇提圖4 刺梨不同提取物差異代謝物的火山圖Fig.4 Volcanic map of different metabolites from different extracts of Rosa roxburghii Tratt

A-全果干粉水提;B-全果干粉醇提;C-果渣干粉水提;D-果渣干粉醇提圖5 不同提取物的聚類熱圖Fig.5 Cluster heat map of different extracts

2.4 差異代謝物的代謝通路分析

利用篩選出的差異代謝物KEGG ID進行MBRole 2.0的通路分析,得到P<0.01的代謝途徑有11條(P值越小,則該代謝通路的差異性越顯著)。這11條代謝途徑分別是淀粉與蔗糖的代謝、磷酸轉移酶系統、半乳糖代謝、谷胱甘肽代謝、酪氨酸代謝、類黃酮生物合成、植物激素的生物合成、β-丙氨酸代謝、鳥氨酸、賴氨酸和煙酸生物堿的生物合成、苯丙烷類化合物的生物合成、ABC轉運蛋白生物合成。結合P值與刺梨功能活性物質特征,本次實驗的差異物代謝通路為類黃酮生物合成途徑。如圖6所示,參與類黃酮生物合成代謝通路的有4個代謝物,分別是有柚皮素查爾酮、兒茶素、柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷、(-)-表沒食子兒茶素[(-)-epigallocatechin,EGC]。

由類黃酮生物合成代謝通路圖可知(圖7),對香豆酰輔酶a(C6-C3)與3個丙二酰輔酶a(C3)分子的縮合成柚皮素查爾酮與二苯基丙烷(C6-C3-C6)單元,通過共軛環閉合將其轉化為柚皮素與黃酮(2-苯基色素-4-酮)主鏈,進一步的修飾產生多種結構形式,包括查爾酮、黃烷酮、黃酮以及異黃酮[26]。張帥[27]的研究表明柚皮素查爾酮具有抗腫瘤作用。

A-柚皮素查爾酮;B-(+)-兒茶素;C-(-)-表沒食子兒茶素; D-柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷圖6 類黃酮生物合成代謝通路的4個代謝物Fig.6 Four metabolites of flavonoid biosynthesis and metabolism pathway

(+)-兒茶素的合成路徑為亮花青素+NADPH+H+生成(+)-兒茶素+NADP++H2O。KIM等[28]證明了植物源性兒茶素具有優異的抗感染、抗炎和抗氧化活性。兒茶素和富含兒茶素的植物材料通過體內研究中的炎癥機制在短期和長期有效地抑制炎癥應激。因此,兒茶素本身或含有兒茶素的營養制劑可作為強效抗感染劑或具有優異生理活性的功能性食品材料。

(-)-表沒食子兒茶素的合成路徑為delphinidin+2 NADPH+H+生成(-)-表沒食子兒茶素+2 NADP+。KIM等[29]的研究表明,用EGC與沒食子酸處理脂肪細胞可抑制脂肪細胞分化,表沒食子兒茶素可顯著調節成熟脂肪細胞的代謝基因轉錄,EGC確實在調節脂肪細胞分化和代謝方面發揮了有益的作用。在CHEN等[30]阿爾茲海默癥的研究中,證明了多酚化合物EGC和表兒茶素沒食子酸酯可以通過與Cu2+和Zn2+的螯合作用,有效緩解A40抗體聚集,減少活性氧的產生,從而降低Cu2+和Zn2+-A40誘導的神經元毒性。

圖7 類黃酮生物合成代謝通路圖(來源:KEGG PATHWAY Database)Fig.7 Pathway map of flavonoids biosynthesis and metabolism (source:KEGG PATHWAY Database)注:方框為酶的國際命名編號;普通圓圈為化合物;紅圓圈為本次的4個代謝物;實箭頭為反應方向;虛箭頭為與其他代謝途徑的關系。

柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷的合成路徑為黃烷酮7-O-β-D-葡萄糖基轉移酶與柚皮素生成UDP和柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷[31],國內外對其研究較少,但它同屬類黃酮一類,推測其也具備以上功能活性。在后續的研究中,可加強對刺梨抗腫瘤、抗氧化、抗感染、減肥等方面的研究。

3 結論

代謝組學是一門交叉學科,對于各學科的綜合運用要求較高,能更全面,更精準地反饋物質的整體信息。全面、細致地了解代謝異常和差異是代謝組學的一個重要特性。本研究基于UPLC-HRMS非靶向代謝組學分析刺梨不同提取物,PCA結果顯示,不同提取物的生物學重復都匯聚在一起,說明刺梨不同提取物數據的穩定性較好,在測定過程中未出現明顯偏差。組內樣本點都很好地聚集在一起,證明代謝物種類和含量都相近。OPLS-DA模型分析表明各組與其他提取物代謝物差異性較大,并根據VIP、P、FC值篩選出49種顯著差異代謝物?？傮w而言,上調差異代謝物多于下調差異代謝物,上調差異代謝物黃酮類最多。經過MBRole 2.0通路分析,這49種差異代謝物參與的代謝通路有11條,其中類黃酮生物合成途徑最為顯著。參與類黃酮生物合成代謝通路的有4個代謝物,分別是有柚皮素查爾酮、兒茶素、柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷、(-)-表沒食子兒茶素。兒茶素、柚皮素7-O-β-D-葡萄糖苷含量在全果水提中相對較高,柚皮素查爾酮含量在全果醇提中相對較高,(-)-表沒食子兒茶素含量在果渣水提中相對較高。這4種代謝物在國內外的研究中展現出優異的功能活性特點。本文探究不同提取物的代謝物差異,為以后以代謝組學為基礎的刺梨研究提供理論參考。在后續的實驗中,可加強對刺梨抗腫瘤、抗氧化、抗感染、減肥等方面的研究。