Z3 - Proteomik und Lipodomik-Analytik mittels Massenspektrometrie und NMR

Die Funktionalität des Fettgewebes wird durch verschiedene molekulare Prozesse charakterisiert. Dazu gehören (1) die eigenen Stoffwechselleistungen, (2) die Interaktionen mit dem systemischen Stoffwechsels mittels Metaboliten und Adipokinen und (3) die Wechselwirkungen mit Immunzellen wie Makrophagen. Für die Analyse dieser Prozesse bedarf es einer breit aufgestellten bioanalytischen Kompetenz. Im Einzelnen werden für die gerichtete Quantifizierung von Proteinen aus Serum und Gewebe Assays für die verschiedenen Adipokine wie Chemerin und Leptin entwickelt. Deren Anwendung in der Hochdurchsatzanalytik wird die Korrelation zwischen Genvariationen, Phänotyp und Adipokinkonzentrationen ermöglichen. Mittels globaler Proteomics werden Veränderungen in der Differenzierung von Adipozyten und im Gewebe detektiert werden und durch Phosphoproteomik die daran beteiligten Signalwege identifiziert und quantifiziert. Die gerichtete Quantifizierung einer Adipositas-spezifischen Auswahl von Metaboliten im Serum und Gewebe wird zur Charakterisierung der Effekte von veränderten Fettgewebsfunktionen beitragen.

Neben der Proteinanalytik spielt im Projekt auch die Lipidanalytik eine tragende Rolle. Zusätzlich zur Untersuchung der Speicherfette (Triacylglycerole) in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Nahrung und bestimmter Stoffwechselstörungen, die durch "knockout" bestimmter Enzyme simuliert werden, ist auch die Analytik der Phospholipide von hoher Relevanz. Hier interessieren wir uns insbesondere für Phospholipide mit "messenger"-Funktion sowie für Lipidoxidationsprodukte, die unter entzündlichen Bedingungen durch reaktive Sauerstoffspezies gebildet werden. Neben massenspektrometrischen Verfahren (ESI und MALDI) sollen auch NMR-Verfahren Anwendung finden, da die NMR trotz ihrer geringen Empfindlichkeit eine Vielzahl von Vorteilen bietet: So ist es z.B. mittels hochauflösender 31P-NMR-Spektroskopie die Detektion und Quantifizierung sämtlicher Phospholipide auch in komplexen Gemischen möglich ohne dass eine Trennung notwendig ist. Die 13C-NMR wiederum ermöglicht die direkte Zuordnung der Fettsäurereste zu den einzelnen Positionen des entsprechenden Trilglycerols.

Abbildung 1: SRM-Methode zur gerichteten Quantifizierung von Adipozytokinen. (A) Die Methode beruht auf der Verwendung von zwei Massenfiltern und der Quantifizierung an Hand von Massenübergängen. (B) In Oberbach et al. (2015) wurde die Methode für die Quantifizierung von zunächst 4 Serumproteinen etabliert.

Abbildung 2: Einfluss der Diät auf die Fettsäurezusammensetzung in braunem Fettgewebe. (A) Das Fettsäureprofil im Futter und im Fettgewebe zeigt klare Unterschiede. (B) Mittels NMR können auch die Positionen der Veresterungen bestimmt werden. In (2A) ist der Einfluss unterschiedlicher Diäten auf die Fettsäurezusammensetzung von braunem Fettgewebe (Maus) dargestellt. In der verwendeten x:y Nomenklatur gibt "x" die Zahl der C-Atome in der Fettsäure an, während "y" der Anzahl der Doppelbindungen entspricht. Die Positionsbestimmung der einzelnen Fettsäurereste in den Triacylglycerolen ist mittels 13C-NMR-Sektroskopie möglich (2B). In vielen Fällen kann hier zwischen sn-1,3- und sn-2-Position differenziert werden.

Mandić AD, Woting A, Jaenicke T, Sander A, Sabrowski W, Rolle-Kampcyk U, von Bergen M, Blaut M. Clostridium ramosum regulates enterochromaffin cell development and serotonin release. Sci Rep. 2019 Feb 4;9(1):1177.


Ditz T, Schnapka-Hille L, Noack N, Dorow J, Ceglarek U, Niederwieser D, Schiller J, Fuchs B, Cross M. Phospholipase A2 products predict the hematopoietic support capacity of horse serum. Differentiation. 2018 Dec 6;105:27-32. 


Leopold J, Popkova Y, Engel KM, Schiller J. Recent Developments of Useful MALDI Matrices for the Mass Spectrometric Characterization of Lipids. Biomolecules. 2018 Dec 13;8(4). 


Vorselen D, van Dommelen SM, Sorkin R, Piontek MC, Schiller J, Döpp ST, Kooijmans SAA, van Oirschot BA, Versluijs BA, Bierings MB, van Wijk R, Schiffelers RM, Wuite GJL, Roos WH.The fluid membrane determines mechanics of erythrocyte extracellular vesicles and is softened in hereditary spherocytosis. Nat Commun. 2018 Nov 23;9(1):4960.


Leopold J, Popkova Y, Engel KM, Schiller J. Visualizing phosphatidylcholine via mass spectrometry imaging: relevance to human health. Expert Rev Proteomics. 2018 Sep 21.


Kratochvil I, Hofmann T, Rother S, Schlichting R, Moretti R, Scharnweber D, Hintze V, Escher BI, Meiler J, Kalkhof S, von Bergen M. MEHP and MEOHP but not DEHP bind productively to the peroxisome proliferator-activated receptor γ. Rapid Commun Mass Spectrom. 2018 Aug 7.


Engel K, Griesinger H, Schulz M, Schiller J.Normal Phase versus Reversed Phase TLC to monitor Oxidized Phosphatidylcholines by TLC/Mass Spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 2018 Jul 18.


Schröter J, Fülöp A, Hopf C, Schiller J. The combination of 2,5-dihydroxybenzoic acid and 2,5-dihydroxyacetophenone matrices for unequivocal assignment of phosphatidylethanolamine species in complex mixtures. Anal Bioanal Chem. 2018 Mar;410(9):2437-2447.


Herbert D, Franz S, Popkova Y, Anderegg U, Schiller J, Schwede K, Lorz A, Simon JC, Saalbach AHigh fat diet exacerbates early psoriatic skin inflammation independent of obesity: Saturated fatty acids as key players. J Invest Dermatol. 2018 Mar 29. pii: S0022-202X(18)31858-X.


Junge KM, Leppert B, Jahreis S, Wissenbach DK, Feltens R, Grützmann K, Thürmann L, Bauer T, Ishaque N, Schick M, Bewerunge-Hudler M, Röder S, Bauer M, Schulz A, Borte M, Landgraf K, Körner A, Kiess W, von Bergen M, Stangl GI, Trump S, Eils R, Polte T, Lehmann I. MEST mediates the impact of prenatal bisphenol A exposure on long-term body weight development. Clin Epigenetics. 2018 Apr 20;10:58. 


Engel KM, Schiller J, Müller K, Dannenberger D, Jakop U. The phospholipid composition of kangaroo spermatozoa verified by mass spectrometric lipid analysis. Lipids. 2017;52:857-69.


Engel KM, Schiller J. A comparison of PC oxidation products as detected by MALDI-TOF and ESI-IT mass spectrometry. Chem Phys Lipids. 2017;203:33-45.


Popkova Y, Schiller J. TAG suppression by CsCl addition. Rapid Commun Mass Spectrom. 2017;31:411-8.


Schröter J, Süß R, Schiller J. MALDI-TOF MS to monitor the kinetics of phospholipase A2-digestion of oxidized phospholipids. Methods. 2016;104:41-7.


Stelzner K, Herbert D, Popkova Y, Lorz A, Schiller J, Gericke M, Klöting N, Blüher M, Franz S, Simon JC, Saalbach A. Free fatty acids sensitize dendritic cells to amplify TH1/TH17-immune responses. Eur J Immunol. 2016;46:2043-53.


Kühn T, Floegel A, Sookthai D, Johnson T, Rolle-Kampczyk U, Otto W, von Bergen M, Boeing H, Kaaks R. Higher plasma levels of lysophosphatidylcholine 18:0 are related to a lower risk of common cancers in a prospective metabolomics study. BMC Med. 2016;14:13.


Popkova Y, Meusel A, Breitfeld J, Schleinitz D, Hirrlinger J, Dannenberger D, Kovacs P, Schiller J. Nutrition-dependent changes of adipose tissue compositions monitored by NMR, MS and chromatographic methods. Anal Bioanal Chem. 2015;407:5123-33.


Klöting N, Hesselbarth N, Gericke M, Kunath A, Biemann R, Chakaroun R, Kosacka J, Kovacs P, Kern M, Stumvoll M, Fischer B, Rolle-Kampczyk U, Feltens R, Otto W, Wissenbach DK, von Bergen M, Blüher M. Di-(2-ethylhexyl)-phthalate (DEHP) causes impaired adipocyte function and alters serum metabolites. PLoS One. 2015;10:e0143190.


Herberth G, Offenberg K, Rolle-Kampczyk U, Bauer M, Otto W, Röder S, Grützmann K, Sack U, Simon JC, Borte M, von Bergen M, Lehmann I; LINA Study Group. Endogenous metabolites and inflammasome activity in early childhood and links to respiratory diseases. J Allergy Clin Immunol. 2015;136:495-7.


Fuchs B, Popkova Y, Süß R, Schiller J. Separation of (Phospho)lipids by thin-layer chromatography. In: Poole C. (Ed.): "Handbooks in Separation Science: Instrumental Thin-Layer Chromatography". Elsevier, Amsterdam, 2015, pp. 375-405. ISBN 978-0-12-417223-4 .


Schiller J, Fuchs B, Süß R, Popkova Y, Griesinger H, Matheis K, Minarik S, Oberle M, Schulz M. TLC - MALDI MS for the Analysis of Lipids. "Planar Chromatography – Mass Spectrometry", Taylor and Francis Verlag, 2015, pp. 213-232, ISBN 9781498705882 .


Eibisch M, Popkova Y, Süß R, Schiller J, Dannenberger D. Evaluation of a commercial enzymatic test kit regarding the quantitative analysis of different free fatty acids. Anal Bioanal Chem. 2014;406:7401-5.


Pirkl A, Meier M, Popkova Y, Letzel M, Schiller J, Schnapp A, Dreisewerd K. Analysis of free fatty acids by ultraviolet laser desorption ionization mass spectrometry from using insect wings as hydrophobic sample substrates. Anal Chem. 2014;86:10763-71.


Griesinger H, Fuchs B, Süß R, Matheis K, Schulz M, Schiller J. The thickness of the stationary phase determines the quality of TLC / MALDI mass spectra of lipids. Anal Biochem. 2014;451:45-7.


Oberbach A, Schlichting N, Neuhaus J, Kullnick Y, Lehmann S, Heinrich M, Dietrich A, Mohr FW, von Bergen M, Baumann S. Establishing a reliable multiple reaction monitoring-based method for the quantification of obesity-associated comorbidities in serum and adipose tissue requires intensive clinical validation. J Proteome Res. 2014;13:5784-800.


Oberbach A, Blüher M, Wirth H, Till H, Kovacs P, Kullnick Y, Schlichting N, Tomm JM, Rolle-Kampczyk U, Murugaiyan J, Binder H, Dietrich A, von Bergen M. Combined proteomic and metabolomic profiling of serum reveals association of the complement system with obesity and identifies novel markers of body fat mass changes. Proteome Res. 2011;10:4769-88

PROJEKT TEAM

Yulia Popkova, Postdoc

Alexandra Schaffert, Doktorandin

Laura Krieg, Doktorandin