JP2014169879A - 糖鎖構造解析方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】既知構造の糖鎖を実測したスペクトルを収録したライブラリを用いることなく、被検糖鎖の構造を推定する。
【解決手段】被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンのm/zに基づき、各種糖鎖構造がm/zに対応付けて格納されている糖鎖DBを参照して、複数の糖鎖構造候補を抽出する(S2)。糖鎖構造候補毎に一つの結合が切断して生成されるプロダクトイオンを求め(S3)、糖鎖構造候補毎のプロダクトイオン同士を比較して各糖鎖構造候補に特異的なプロダクトイオンを抽出してそのm/zを求める(S4)。被検糖鎖に対するMS2スペクトルに、その特異的プロダクトイオンのm/zを有するピークが在るか否かを判定し、その結果に基づいて糖鎖構造候補を絞り込んで(S5)その結果を表示部から出力する(S6)。
【選択図】図2

Description

本発明は、質量分析を利用して糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析方法及び装置に関する。
近年、タンパク質、糖鎖、脂質などを含む生体由来試料の同定や構造解析に、質量分析装置は不可欠なものとなっている。特に、試料由来である比較的分子量の大きなイオンを衝突誘起解離(CID)により1乃至複数回解離させて質量分析するMSn分析の手法は、タンパク質や糖鎖などの構造解析に非常に有用である。
質量分析装置を用いたタンパク質(又はペプチド)の解析手法としては、試料に対するMSn分析により得られたMSnスペクトル上のピークの質量電荷比と、データベースに登録されているタンパク質から計算によって求まるプロダクトイオンの質量電荷比とを比較し、その一致度に基づいて実測データに対応するペプチドのアミノ酸配列を推定するデータベース検索手法がよく知られている。英国マトリクスサイエンス社が提供する「Mascot MS/MS ion search」は、現在、最も広く利用されているデータベース検索手法の一つである(非特許文献1参照)。
一方、質量分析装置を用いた糖鎖構造の解析手法としては、未知試料に対するMSn分析により得られたMSnスペクトルパターンと、構造が既知である試料に対するMSn分析により得られたMSnスペクトルを収録したスペクトルライブラリ中の各MSnスペクトルとを比較し、その一致度に基づいて実測データに対応する糖鎖構造を推定するライブラリ検索手法が知られている(非特許文献2参照)。この糖鎖構造解析用ライブラリ検索手法と上記のタンパク質・ペプチド同定を目的としたMS/MSイオンサーチ法との相違は、タンパク質の構造情報等が収録されたデータベースの代わりに、既知構造の糖鎖のMSnスペクトルが収録されたスペクトルライブラリを用いる点であるが、このスペクトルライブラリも広い意味でのデータベースである。
即ち、MS/MSイオンサーチ法と糖鎖ライブラリ検索法とは、対象がアミノ酸配列と糖鎖構造という相違はあるものの、いずれもデータベースを用いて試料を同定する手法である。これら手法では、データベースから得られるペプチドの理論的なフラグメント情報や糖鎖の測定済みマススペクトルと、同定したい実測マススペクトルとを比較することにより、試料に含まれる物質を同定する。最終的に出力される同定結果は、比較の際の一致度に基づいて選択されたものである。
ペプチドの同定や構造解析にMS/MSイオンサーチ法が有効である理由は、異なるペプチドのアミノ酸配列中に部分的に同じアミノ酸配列が存在したとしても、プロダクトイオンの理論的な質量電荷比を計算すると、多くの場合、複数のプロダクトイオンの質量電荷比の組はそのペプチドに特有の値となるためである。しかしながら、MS/MSイオンサーチ法のような解析手法は、糖鎖構造解析においてはあまり有効ではない。何故なら、糖鎖は構造が非常に多様であり、質量や組成は同一であっても様々な構造をとり得るからである。構造が相違していても組成が同じである糖鎖では、プロダクトイオンの質量電荷比の多くが同じ値となる。そのため、プロダクトイオンの質量電荷比の一致性を判断するだけでは、糖鎖の構造を特定することは不可能である。これが、糖鎖に対してライブラリ検索法によるMSnスペクトル同士の比較手法が用いられている理由でもある。
従来の一般的な糖鎖ライブラリ検索法では、MSnスペクトル上のピークの質量電荷比の値だけでなく、MSnスペクトル中の信号強度情報も加味してスペクトルライブラリ中のMSnスペクトルと未知試料のMSnスペクトルとを比較することにより、糖鎖構造を推定するようにしている。MSnスペクトルに現れるピークの質量電荷比の値だけでなく信号強度の値も比較することによって、結合位置異性体やアノマ異性体等の構造異性体の識別も可能である。例えば非特許文献2及び特許文献1では、結合位置異性体について、MSnスペクトル中の信号強度情報を用いることで、単糖のいずれの炭素で以て結合しているかのみならず、α、β結合も識別可能であることが示唆されている。
しかしながら、このような糖鎖ライブラリ検索法では、目的試料の未知の糖鎖構造に対するMSnスペクトルがスペクトルライブラリに収録されていないと、目的試料から得られた実測のMSnスペクトルは同定されないか、或いは、別の糖鎖又は別の構造として誤って同定されることになる。そのため、同定精度を上げるためにはスペクトルライブラリを充実させることが必要であるが、これは非常に労力と時間を要する大変な作業である。
また、糖鎖ライブラリ検索法を適用するためには、スペクトルライブラリに収録されているMSnスペクトルの取得時と同じ条件(前処理、ラベル化、解離エネルギ等)の下で未知試料を測定しなければならず、制約が大きい。具体的にいうと、非特許文献2に開示されているライブラリ検索を実施するためには、糖鎖試料をPAラベル化した上で、マトリクス支援レーザ脱離イオン化/イオントラップ/飛行時間型質量分析計(MALDI−QIT−TOFMS)により測定しなければならない。また、試料調製のためのマトリクスや解離エネルギも限定される。
特開2010−133707号公報
「マスコット・サーチ(Mascot Search)」、[online]、英国マトリックス・サイエンス社(Matrix Science Ltd.)、[平成24年6月20日検索]、インターネット<URL: http://www.matrixscience.com/search_form_select.html> 大黒(S. Daikoku1)ほか2名、「アナリシス・オブ・ア・シリーズ・オブ・アイソメトリック・オリゴサッカライズ・バイ・エナジー-リソルブド・マス・スペクトロメトリ:ア・チャレンジ・オン・ホモブランチド・トリサッカライズ(Analysis of a series of isomeric oligosaccharides by energy-resolved mass spectrometry: a challenge on homobranched trisaccharides)」、ラピッド・コミュニケーションズ・イン・マス・スペクトロメトリ(Rapid communications in mass spectrometry)、Vol. 23、2009年、pp.3713-3719
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、構造が既知である糖鎖に対する実測によって得られたMSnスペクトルを収集したスペクトルライブラリを必要とせず、また未知試料のMSn分析を実行する際の前処理等の条件に依存することなく、高い確度で糖鎖構造を推定することができる糖鎖構造解析方法及び装置を提供することである。
上記課題を解決するためになされた第1発明は、被検糖鎖に対しMS2分析を実行して得られたMS2スペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析方法であって、
a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得ステップと、
b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する特異的イオン取得ステップと、
c)被検糖鎖に対して得られたMS2スペクトルにおいて前記特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定ステップと、
を実行することを特徴としている。
また上記課題を解決するためになされた第2発明は、上記第1発明に係る糖鎖構造解析方法を実施するための装置であって、被検糖鎖に対しMS2分析を実行して得られたMS2スペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析装置において、
a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得手段と、
b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する特異的イオン取得手段と、
c)被検糖鎖に対して得られたMS2スペクトルにおいて前記特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定手段と、
を備えることを特徴としている。
第2発明に係る糖鎖構造解析装置により具現化される第1発明に係る糖鎖構造解析方法では、被検糖鎖を含む試料に対しMS2分析を実行して得られたMS2スペクトルデータに基づいて被検糖鎖の構造が推定される。即ち、まず構造候補取得ステップでは、そのMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、被検糖鎖についての糖鎖構造候補を複数取得する。上述したように、糖鎖の場合、質量や組成は同一であっても様々な構造をとり得るため、多数の糖鎖構造候補が抽出されることもよくある。
なお、糖鎖構造候補を取得する際には、例えば、糖鎖由来のプリカーサイオンの質量電荷比とそれに対応する複数の糖鎖構造とが対応付けて収録されたデータベースを用いるとよい。MS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比が情報として与えられたならば、該質量電荷比値に対し所定のマージンを設定した質量電荷比範囲を求め、この範囲に含まれる質量電荷比に対応付けられた糖鎖構造をデータベースから抽出することで糖鎖構造候補を求めることができる。これは後述の第3及び第4発明でも同様である。
次いで特異的イオン取得ステップにおいて、上記抽出された複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて、CID等の解離操作により生成され得るプロダクトイオン、つまり理論上のプロダクトイオンを算出する。基本的には糖鎖構造の糖同士の結合部が解離操作により切断されることで生じ得るイオンを求めればよいが、1回の解離操作で切断される結合部の数が定まっていないとプロダクトイオンの種類が膨大になる。CIDの場合には、CIDエネルギ等のCID条件を適宜に調整することで、1回の解離操作で1箇所の結合部のみを切断することが可能である。そこで、MS2分析時にCID条件を適宜に設定し、特異的イオン取得ステップでは、糖鎖構造中のいずれか1箇所の結合部のみが切断されるとの条件の下にプロダクトイオンを算出するとよい。
さらに特異的イオン取得ステップでは、糖鎖構造候補毎に得られた多数のプロダクトイオンを比較し、糖鎖構造候補毎に、他の糖鎖構造候補に対し共通性の低い特異的なプロダクトイオンを抽出する。ここで「他の糖鎖構造候補に対し共通性の低い」とは、少なくとも全ての糖鎖構造候補に共通に存在しないことを意味する。つまり、複数の糖鎖構造候補の中で少なくとも一つにおいて得られるプロダクトイオンは、特異的なプロダクトイオンである。
続く、構造候補判定ステップでは、上記の特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を求め、被検糖鎖に対する実測のMS2スペクトルにおいて、それら特異的プロダクトイオンの質量電荷比にイオンピークが存在するか否かを調べる。例えば或る一つの糖鎖構造候補のみに現れ、他に同じ質量電荷比を持つ特異的プロダクトイオンがないような特異的プロダクトイオンが実測のMS2スペクトル上に存在すれば、その糖鎖構造候補が実際の糖鎖構造であると高い確度で推定できる。また、一つの糖鎖構造候補に絞りきれない場合でも、互いに異なる複数の特異的プロダクトイオンの質量電荷比に対するピークの有無の結果を組み合わせることで候補の信頼度を判断し、信頼度が低い候補を除外して候補数を減らしたり、信頼度に応じて候補を順位付けしたりすることができる。こうした結果を例えば表示部に出力すれば、分析者は被検糖鎖の糖鎖構造に関する情報を得ることができる。
第1及び第2発明では、被検糖鎖に対するMS2スペクトルデータに基づいて該被検糖鎖の構造を推定していたが、nが3以上であるMSn分析の結果を利用することで、糖鎖構造候補のさらなる絞り込みが可能である。
即ち、第1発明を拡張した第3発明は、被検糖鎖に対しMSn分析(n=2,3,…、ただしnの最大値は3以上の整数)を実行して得られたMSnスペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析方法であって、
a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得ステップと、
b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する第1の特異的イオン取得ステップと、
c)被検糖鎖に対して得られたMSmスペクトル(m=2,……、ただしmの最大値はn−1)において前記第1の特異的イオン取得ステップにおいて抽出された又は後記第2の特異的イオン取得ステップにおいて抽出された特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出する特異的イオン検出ステップと、
d)該特異的イオン検出ステップにおいて検出された特異的イオンの質量電荷比をプリカーサイオンに設定して被検糖鎖に対しMSm+1分析を実行するMSm+1分析ステップと、
e)前記MSm+1分析時のプリカーサイオンの質量電荷比を持つ特異的なプロダクトイオンを解離させたときに生成され得る2次的プロダクトイオンを算出し、その中で解離前の特異的なプロダクトイオン毎に特異的な2次的プロダクトイオンを抽出する第2の特異的イオン取得ステップと、
f)被検糖鎖に対して得られたMSm+1スペクトルにおいて前記特異的な2次的プロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、MSm+1分析の最終段の解離前の特異的なプロダクトイオンを特定し、その結果と前記特異的イオン検出ステップにおけるピーク検出結果とに基づいて前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定ステップと、
を有し、前記構造候補取得ステップ及び前記第1の特異的イオン取得ステップを実行したあとに、mの値を2から順に増加させつつ、前記特異的イオン検出ステップ、前記MSm+1分析ステップ、及び前記第2の特異的イオン取得ステップを1回以上繰り返し、そのあとに前記構造候補判定ステップを実行することで糖鎖構造候補を絞り込むことを特徴としている。
また第4発明は上記第3発明に係る糖鎖構造解析方法を実施するための装置であって、
被検糖鎖に対しMSn分析(n=2,3,…、ただしnの最大値は3以上の整数)を実行して得られたMSnスペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析装置において、
a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得手段と、
b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する第1の特異的イオン取得手段と、
c)被検糖鎖に対して得られたMSmスペクトル(m=2,……、ただしmの最大値はn−1)において前記第1の特異的イオン取得手段により抽出された又は後記第2の特異的イオン取得手段により抽出された特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出する特異的イオン検出手段と、
d)該特異的イオン検出手段により検出された特異的イオンの質量電荷比をプリカーサイオンに設定して被検糖鎖に対しMSm+1分析を実行するMSm+1分析実行手段と、
e)前記MSm+1分析時のプリカーサイオンの質量電荷比を持つ特異的なプロダクトイオンを解離させたときに生成され得る2次的プロダクトイオンを算出し、その中で解離前の特異的なプロダクトイオン毎に特異的な2次的プロダクトイオンを抽出する第2の特異的イオン取得手段と、
f)被検糖鎖に対して得られたMSm+1スペクトルにおいて前記特異的な2次的プロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、MSm+1分析の最終段の解離前の特異的なプロダクトイオンを特定し、その結果と前記特異的イオン検出手段によるピーク検出結果とに基づいて前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定手段と、
を備え、前記構造候補取得手段及び前記第1の特異的イオン取得手段による処理を実行したあとに、mの値を2から順に増加させつつ、前記特異的イオン検出手段、前記MSm+1分析実行手段、及び前記第2の特異的イオン取得手段による処理を1回以上繰り返し、そのあとに前記構造候補判定手段による処理を実行することで糖鎖構造候補を絞り込むことを特徴としている。
第1の糖鎖構造候補に特異的なプロダクトイオンと第2の糖鎖構造候補に特異的なプロダクトイオンとが同一質量電荷比である場合、該質量電荷比に対するイオンピークが実測MSmスペクトルに存在することが確認できても、被検糖鎖の構造が第1の糖鎖構造候補又は第2の糖鎖構造候補のいずれであるのかを決めることはできない。これに対し、実測MSmスペクトルに存在が確認されたイオン(構造が不確定である特異的なプロダクトイオン)ピークの質量電荷比をプリカーサイオンとしてMSm+1分析を実行し、それによって得られたMSm+1スペクトル上に、該プリカーサイオンの不確定な構造から想定し得るプロダクトイオンが存在するか否かを確認することで、該プリカーサイオンの構造を確定できる可能性がある。
そこで、第3及び第4発明においては、解離操作を2回以上繰り返すことで、構造が不確定である特異的なプロダクトイオンの構造を確定してゆく。それによって、最終的に糖鎖構造候補を一つ又は少数に絞り込むことが可能となる。
本発明に係る糖鎖構造解析方法及び装置によれば、糖鎖構造の推定に、構造が既知である糖鎖を実際にMSn分析した結果を収録したスペクトルライブラリは不要である。このため、ライブラリに収録されていない糖鎖についても高い確度で以て構造推定が可能である。また、ライブラリを充実させる作業も不要であるので、分析作業の効率化も図ることができる。また本発明に係る糖鎖構造解析方法及び装置では、そうしたライブラリに収録されている特定の試料前処理や特定の装置を利用した実測結果とのスペクトル等の一致性を判断する必要はないので、被検糖鎖に対してMSn分析を実行する際の試料前処理や使用する装置の制約は殆どない。したがって、試料前処理を行う手間や時間が省けるとともに、測定の自由度が向上する。
本発明の第1実施例である糖鎖構造解析システムの概略構成図。 第1実施例の糖鎖構造解析システムにおいて実施される糖鎖構造解析処理手順を示すフローチャート。 第1実施例による糖鎖構造推定処理の具体例を示す模式図。 第1実施例による糖鎖構造推定処理の具体例を示す模式図。 第1実施例による糖鎖構造推定処理の他の具体例を示す模式図。 本発明の第2実施例である糖鎖構造解析システムの概略構成図。 第2実施例による糖鎖構造推定処理の他の具体例を示す模式図。 第2実施例による糖鎖構造推定処理の他の具体例を示す模式図。
[第1実施例]
以下、本発明の一実施例(第1実施例)である糖鎖構造解析システムについて、添付図面を参照して説明する。図1は本実施例の糖鎖構造解析システムの全体構成図である。
本実施例の糖鎖構造解析システムは、大別して、質量分析計1と、コンピュータを中心に構成される解析処理部2と、分析制御部3と、から成る。この例では、質量分析計1はマトリクス支援レーザ脱離イオン化−イオントラップ−飛行時間型質量分析計(MALDI−IT−TOFMS)であり、分析対象である試料中の分子や原子をイオン化するMALDIイオン源11と、発生したイオンを一時的に捕捉し、質量電荷比m/zに応じたイオンの選択とCIDによるイオンの解離操作とを実行可能である3次元四重極型のイオントラップ12と、該イオントラップ12から一斉に射出された各種イオンを質量電荷比に応じて分離して検出する飛行時間型質量分析器13と、を含む。飛行時間型質量分析器13は、リフレクタにより発生する直流電場によりイオンを折返し飛行させるリフレクトロン型の飛行空間131と、該飛行空間131を飛行する間に分離されたイオンを順次検出する検出器132と、を含む。
解析処理部2は、機能ブロックとして、検出器132から得られる検出信号を所定時間間隔で以てデジタル化して格納するスペクトルデータ記憶部21と、各種糖鎖について質量電荷比と採り得る様々な構造を示す情報とが対応付けて収録されている糖鎖データベース(DB)23と、該糖鎖DB23を利用して測定された試料に対する糖鎖構造の候補を抽出する糖鎖構造候補抽出部22と、複数の糖鎖構造候補のそれぞれについてCIDにより解離を生じさせたときに生成されるプロダクトイオンを推算し、共通性のない又は共通性の低い特異的なプロダクトイオンを糖鎖構造候補毎に見出す特異的プロダクトイオン算出部24と、その特異的プロダクトイオンの算出結果と実測MS2スペクトルとに基づいて複数の糖鎖構造候補をその信頼度に従って順位付けする又は選抜する候補信頼度判定処理部25と、解析結果として順位付けされた又は選抜された糖鎖構造候補を表示部4を通して出力する表示処理部26と、を含む。なお、解析処理部2及び分析制御部3は、パーソナルコンピュータをハードウエア資源とし、該コンピュータに予めインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより具現化されるようにすることができる。
本実施例の糖鎖構造解析システムにおいて試料中の被検糖鎖の構造を同定するためのデータ解析処理について、図2に示すフローチャートを参照しつつ一例を挙げて説明する。図3〜図5はこの糖鎖構造推定処理の具体例を示す模式図である。
まず、分析制御部3による制御の下で、被検糖鎖を含む試料に対し、質量分析計1により、イオントラップ12でのCID操作を伴わないMS1分析と、被検糖鎖に由来するイオンをプリカーサイオンとしたMS2分析とが実行され、MS1スペクトルデータ及びMS2スペクトルデータが収集される(ステップS1)。これらデータはスペクトルデータ記憶部21に一旦記憶される。ここで重要な点は、MS2分析を実行する際に、糖鎖結合が1箇所のみで切断される(複数箇所では切断されない)ように、イオントラップ12におけるCID条件を設定することである。何故なら、後述する糖鎖構造推定は、1回のCID操作で1箇所の糖鎖結合が切断されることを前提としているためである。CID条件には、CIDエネルギ(具体的にはイオンを励振させる電圧)、CIDガス圧、CIDガス種、などが含まれるが、一般的にはCIDエネルギを調整することで1箇所の糖鎖結合が切断されるようにすることができる。なお、質量分析計1により得られたデータに対し、ノイズ除去処理、セントロイド処理など適宜のデータ処理が実施されてもよいことは当然である。
上述したように被検糖鎖に対するMS1スペクトルデータ及びMS2スペクトルデータが得られると、次に、糖鎖構造候補抽出部22はMS2分析実行時のプリカーサイオンの質量電荷比情報を取得する。そして、その質量電荷比値(M)を中心とし所定のマージン(例えば±ΔM)を与えた質量電荷比範囲(M−ΔM〜M+ΔM)を定め、糖鎖DB23にアクセスして、その質量電荷比範囲に該当する全ての糖鎖構造を糖鎖構造候補として抽出する(ステップS2)。
糖鎖は複数の糖(単糖)が結合したものであり、糖は、グルコース、マンノース、ガラクトースなど数が限られる。そのため、糖鎖由来のプリカーサイオンの質量電荷比が分かれば、糖鎖の組成、つまりは糖の種類と数とを求めることは容易である。例えば、プリカーサイオンの質量電荷比が1298Daであってマージンを2Daとした場合、糖鎖組成は、マンノース(Man)が3個、NアセチルDグルコサミン(GlcNAc)が4個と計算される。この場合、糖鎖DB23から得られるN型糖鎖で採り得る糖鎖構造は図3に示した(a)、(b)、(c)の3種類であり、これらが糖鎖構造候補である。
次に、特異的プロダクトイオン算出部24は各糖鎖構造候補についてそれぞれ理論的なプロダクトイオンの質量電荷比を計算し(ステップS3)、糖鎖構造候補を絞り込むことが可能となる特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を求める(ステップS4)。特異的なプロダクトイオンとは少なくとも糖鎖構造候補全てに対して共通に存在しないようなプロダクトイオンであるが、ここではより厳密に、他の糖鎖構造候補に対し共通に存在しないようなプロダクトイオンとする。
このような特異的プロダクトイオンの質量電荷比の具体的な一算出方法は次のとおりである。まず、各糖鎖構造候補について、任意の1箇所の糖鎖結合(辺)を切断したときに生成されるプロダクトイオンの質量電荷比を、重複を許して計算し、リスト化する。そして、糖鎖構造候補がn個あれば、糖鎖構造候補毎のリスト同士の比較をn2回繰り返し、両方のリストで共通しているプロダクトイオンの質量電荷比を削除し、いずれか一方のリストにのみ出現するプロダクトイオンの質量電荷比を残していく。そうして最終的に残った質量電荷比が、各糖鎖構造候補に特異的なプロダクトイオンの質量電荷比の計算結果となる。
図4は、図3に示した3種類の糖鎖構造候補(a)、(b)、(c)に対してそれぞれ算出される特異的プロダクトイオンの構造を示す図である。CIDによりいずれか1箇所の糖鎖結合が解離した場合には、(d)〜(h)に示す5種類の特異的なプロダクトイオンが計算される。
図4において、(d)は(a)からのみ得られるプロダクトイオン、(e)は(b)からのみ得られるプロダクトイオンであり、質量電荷比は同一であって、その組成はManが2個、GlcNAcが3個である。Man:2個、GlcNAc:3個分のこの質量電荷比を有するプロダクトイオンは、(c)の構造体のどの結合を解離させても得られない。また、(f)は(b)からのみ得られるプロダクトイオン、(g)は(c)からのみ得られるプロダクトイオンであり、質量電荷比は同一であって、その組成はMan:2個、GlcNAc:4個である。Man:2個、GlcNAc:4個分のこの質量電荷比を有するプロダクトイオンは、(a)の構造体のどの結合を解離させても得られない。さらにまた、(h)は(c)からのみ得られるプロダクトイオンであり、質量電荷比はMan:2個、GlcNAc:2個分である。この質量電荷比を有するプロダクトイオンは、(a)、(b)の構造体のどの結合を解離させても得られない。
以上のように糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンの質量電荷比が求まったならば、候補信頼度判定処理部25はスペクトルデータ記憶部21から実測のMS2スペクトルを取得し、そのMS2スペクトル上に上記の特異的プロダクトイオンの質量電荷比の位置にピークが存在するか否かを調べ、その結果に基づいて糖鎖構造候補を絞り込んだり、順位付けしたりする(ステップS5)。
例えば図4の例では、(h)に示すプロダクトイオンの質量電荷比(Man:2個、GlcNAc:2個分の質量電荷比)を有するピークがMS2スペクトルに存在すれば、糖鎖構造は(c)に絞ることができ、一意に決定される。一方、(d)又は(e)に示すプロダクトイオンの質量電荷比(Man:2個、GlcNAc:3個分の質量電荷比)を有するピークがMS2スペクトルに存在した場合には、(c)の候補でないことは確定するから、該候補は除外される。また、(f)又は(g)に示すプロダクトイオンの質量電荷比(Man:2個、GlcNAc:4個分の質量電荷比)を有するピークがMS2スペクトルに存在した場合には、(a)の候補でないことは確定するから、該候補は除外される。このように、候補を一つに絞ることはできないが、候補の数を減らすことができる。
この場合には、残った二つの候補は同等の信頼度であるが、より複雑な構造を持つ糖鎖の場合には、糖鎖構造候補からより多数の特異的プロダクトイオンの質量電荷比が計算される。したがって、糖鎖構造候補毎に、MS2スペクトル上に特異的プロダクトイオンに対応したピークが出現する個数を求めることができ、その個数に応じて、複数の糖鎖構造候補を順位付けすることができる。
表示処理部26は上記のように絞り込まれた或いは順位付けされた糖鎖構造候補を、解析結果として表示部4の画面上に出力する(ステップS6)。これにより、分析者は被検糖鎖の構造についての情報を得ることができる。
図5は、第1実施例の糖鎖構造解析システムによる糖鎖構造推定の他の具体例を示す模式図である。
プリカーサイオンの質量電荷比が2106.8Daである場合、糖鎖DB23から得られるN型糖鎖構造候補は図5中に示す(A)、(B)、(C)の3種類である。なお、ManとGalとは質量が同一であるため、組成上で区別することはできない。そのため、(A)、(B)と(C)とでは組成が異なる。また、これら糖鎖構造候補から計算によって求まる特異的プロダクトイオンは(D)〜(K)の8種類である。プリカーサイオンと1箇所の糖鎖結合が切断することで生成されるプロダクトイオンとの親子関係は次の通りである。
・(A)→ (D[m1])、(J[m2])
・(B)→ (E[m3])、(G[m2])、(I[m1])
・(C)→ (F[m4])、(H[m3])、(K[m5])
ここで、括弧[]内はそのプロダクトイオンの質量電荷比を示す記号であり、同一記号は同一質量電荷比であることを意味する。
質量電荷比が同じであるプロダクトイオンをまとめると、質量電荷比がm1である<(D[m1])、(I[m1])>、質量電荷比がm2である<(G[m2])、(J[m2])> 、質量電荷比がm3である<(E[m3])、(H[m3])>、質量電荷比がm4である(F[m4])、質量電荷比がm5である(K[m5])の五つのグループに分けることができる。一つのグループに属するプロダクトイオンが複数の糖鎖構造候補に跨っていなければ、糖鎖構造候補を一つに絞ることが可能である。こうしたことから、各糖鎖構造候補についてプロダクトイオンの有無は次のように結論付けることができる。
・実際の糖鎖構造が(C)である場合には、(F[m4])と(K[m5])が特異的なイオンとして現れる。
・実際の糖鎖構造が(B)である場合には、(F[m4])と(K[m5])とは現れず、(E[m3])、(I[m1])、(J[m2])が特異的なイオンとして現れる。
・実際の糖鎖構造が(A)である場合には、(F[m4])、(K[m5])、(E[m3])は現れず、(D[m1])、(J[m2])が特異的なイオンとして現れる。
上記説明の理解を容易にするために、各プロダクトイオンがどの糖鎖構造候補に対して検出されるかをまとめた一覧表を表1に示す。各糖鎖構造候補において、○はそのプロダクトイオンが検出されることを示し、×はそのプロダクトイオンが検出されないことを示している。
Figure 2014169879
表1で明らかなように、各糖鎖構造候補から計算されたプロダクトイオン群には質量電荷比が同一であるプロダクトイオンが存在するものの、互いに質量電荷比が異なる複数のプロダクトイオンの検出の有無を比較することによって、各糖鎖構造候補を区別することができる。これにより、1回のCID操作で考え得る各糖鎖構造候補の特異的なプロダクトイオンを抽出し、そのプロダクトイオンの質量電荷比に対するピークが実測のMS2スペクトル上に存在するか否かを調べることによって、糖鎖構造を決定することができる。即ち、
・グループ4(m4)及びグループ5(m5)のイオンが検出される場合には、糖鎖構造は(C)である。
・グループ1(m1)及びグループ2(m2)のイオンが検出され(これは糖鎖構造(A)でも同じ)、さらにグループ3(m3)のイオンも検出される場合には、糖鎖構造は(B)である。
・グループ1(m1)及びグループ2(m2)のイオンが検出され(これは糖鎖構造(B)でも同じ)、さらにグループ3(m3)のイオンが検出されない場合には、糖鎖構造は(A)である。
[第2実施例]
次に、本発明の他の実施例(第2実施例)である糖鎖構造解析システムについて、図6〜図8を参照して説明する。図6は本実施例の糖鎖構造解析システムの全体構成図であり、図1に示した第1実施例のシステム構成と同じ又は相当する部分には同じ番号を付している。第1実施例の糖鎖構造解析システムでは、質量分析計1においてMS2分析まで実施していたが、この第2実施例では、質量分析計1においてnが3以上であるMSn分析を実施する。このnが3以上であるMSn分析のプリカーサイオンは、候補信頼度判定処理部25の結果を受けたプリカーサイオン設定部27により設定される。また、候補信頼度判定処理部25の結果は特異的プロダクトイオン算出部24にも入力され、特異的プロダクトイオン算出部24はMS2分析による特異的プロダクトイオンの算出を行うほか、後述するように、nが3以上であるMSn分析による特異的プロダクトイオンの算出も実行する。
図4の例で説明すると、上述したように、(d)又は(e)に示すプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークがMS2スペクトルに存在した場合、糖鎖構造が(c)でないことは判明するものの、糖鎖構造が(a)又は(b)のいずれであるのかは判明しない。このように、糖鎖構造候補の数を減らすことができるが一つに絞り込むことはできない。これに対し、本実施例では、nが3以上であるMSn分析を利用することで、糖鎖構造のさらになる絞り込みが可能である。
図7は、図4において(d)又は(e)に示すプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークがMS2スペクトル上で検出された場合の、MS3分析を利用した候補絞り込みの例である。図7において、(i)、(j)は(d)に示したイオンからのみ得られるプロダクトイオンである。即ち、(i)及び(j)に示すプロダクトイオンとそれぞれ質量電荷比が同一であるプロダクトイオンは、(e)に示したイオンの中のいずれの糖鎖結合1個を切断しても得ることができない。一方、(k)、(l)は(e)に示したイオンからのみ得られるプロダクトイオンである。
したがって、実測のMS3スペクトル上で、(i)又は(j)に示すプロダクトイオンの質量電荷比にピークが存在すれば、MS3分析のプリカーサイオンは(e)ではなく(d)である筈であり、糖鎖構造は(a)であると絞り込める(図4参照)。一方、実測のMS3スペクトル上で、(k)又は(l)に示すプロダクトイオンの質量電荷比にピークが存在すれば、MS3分析のプリカーサイオンは(d)ではなく(e)である筈であり、糖鎖構造は(b)であると絞り込める。
図8は、図4において(f)又は(g)に示すプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークがMS2スペクトル上で検出された場合の、MS3分析を利用した候補絞り込みの例である。図8において、(m)、(n)は(f)に示したイオンからのみ得られるプロダクトイオンである。即ち、(m)及び(n)に示すプロダクトイオンとそれぞれ質量電荷比が同一であるプロダクトイオンは、(g)に示したイオンの中のいずれの糖鎖結合1個を切断しても得ることができない。一方、(p)、(q)は(g)に示したイオンからのみ得られるプロダクトイオンである。
したがって、実測のMS3スペクトル上で、(m)又は(n)に示すプロダクトイオンの質量電荷比にピークが存在すれば、MS3分析のプリカーサイオンは(g)ではなく(f)である筈であり、糖鎖構造は(b)であると絞り込める。一方、実測のMS3スペクトル上で、(p)又は(q)に示すプロダクトイオンの質量電荷比にピークが存在すれば、MS3分析のプリカーサイオンは(f)ではなく(g)である筈であり、糖鎖構造は(c)であると絞り込める。
本実施例の糖鎖構造解析システムでは、候補信頼度判定処理部25において糖鎖構造候補が例えば(a)又は(b)であるとの絞り込み結果が得られると、プリカーサイオン設定部27は、その残った糖鎖構造候補に共通するプロダクトイオン質量電荷比をプリカーサイオンの質量電荷比に設定するよう分析制御部3に指示を出す。これによって、分析制御部3の制御の下に、被検糖鎖を含む試料に対するMS3分析が実施され、スペクトルデータ記憶部21にMS3スペクトルデータが格納される。
一方、特異的プロダクトイオン算出部24は残った糖鎖構造候補に共通するプロダクトイオン質量電荷比を持つ(d)及び(e)のプロダクトイオン構造それぞれについて、MS3分析による理論的なプロダクトイオンの質量電荷比を計算し、糖鎖構造候補を絞り込むことが可能となる特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を求める。具体的には、MS2分析時のときと同様に、任意の1箇所の結合を切断したときに生成されるプロダクトイオン(本願請求項における「2次的プロダクトイオン」に相当)の質量電荷比を、重複を許して計算し、リスト化する。そして、そのリストを比較することで、いずれか一方のリストにのみ出現する特異的プロダクトイオンの質量電荷比を算出する。候補信頼度判定処理部25は、スペクトルデータ記憶部21から実測のMS3スペクトルを取得し、そのMS3スペクトル上に上記の特異的プロダクトイオンの質量電荷比の位置にピークが存在するか否かを調べ、その結果に基づいて糖鎖構造候補を絞り込む。
以上のように、MS2分析を利用して糖鎖構造を一つに絞りきることができない場合でも、さらに糖鎖結合を切断させたMS3分析を利用することで糖鎖構造の絞り込みが行える。また、MS3分析を利用してもなお糖鎖構造を一つに絞りきることができない場合には、さらに糖鎖結合を切断させたMS4分析を利用してもよい。MSn分析のnの値を増加させつつ糖鎖構造を絞る際に、原理的にnの値に制約はないものの、実際にはnの値を大きくするほど信号強度が下がるので、実用的にはnの最大値は4又は5程度である。
なお、第1実施例の糖鎖構造解析システムでは、MS2分析までしか実施しないので、質量分析計1は図1に示したようなイオントラップ12を用いた構成ではなく、例えばタンデム四重極型質量分析計のように、コリジョンセルの内部でイオンに対しCID操作を行う構成の質量分析計であってもよい。
また、質量分析計1のイオン源11はMALDIイオン源が好ましいが、それは多価イオンの発生が少ないからである。多価イオンが存在する場合、或る質量電荷比を有するイオンの価数を考慮して処理を行う必要があるため、処理が煩雑であるのみならず構造推定精度の低下に繋がるおそれがある。そこで、例えばエレクトロスプレイイオン源など、多価イオンが生成され易いイオン源を用いる場合には、実測のMSnスペクトル上のイオンピークの価数を識別し、例えば1価のみのピークを抽出する処理を行った後に、特異的プロダクトイオンピークの検出を実施するとよい。
なお、上記実施例の糖鎖構造解析システムでは、被検糖鎖の構造のうち分岐に関する部分を確定することができ、測定した糖鎖が既にデータベースに登録されている糖鎖であれば、上記分岐以外の結合、例えば、各単糖間のグリコシド結合位置やアノマ(つまりα、βのいずれか)も決定可能である。また、測定した糖鎖がデータベースに登録されていない糖鎖である場合やもともとこうしたデータベースを利用しない場合であっても、糖鎖の分枝構造が判明しさえすれば、単糖のいずれの炭素で結合が起こっているのかは他の方法、例えば、CIDエネルギを大きくした状態で被検糖鎖を再度MSn分析し、上述した手法と同様に、結合位置について特異的なプロダクトイオンをそのMSnスペクトルにおいて検出することによって、結合位置やアノマを限定した構造を見出すことができる。
また、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加等を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
1…質量分析計
11…MALDIイオン源
12…イオントラップ
13…飛行時間型質量分析器
131…飛行空間
132…検出器
2…解析処理部
21…スペクトルデータ記憶部
22…糖鎖構造候補抽出部
23…糖鎖データベース(DB)
24…特異的プロダクトイオン算出部
25…候補信頼度判定処理部
26…表示処理部
27…プリカーサイオン設定部
3…分析制御部
4…表示部

Claims (6)

  1. 被検糖鎖に対しMS2分析を実行して得られたMS2スペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析方法であって、
    a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得ステップと、
    b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する特異的イオン取得ステップと、
    c)被検糖鎖に対して得られたMS2スペクトルにおいて前記特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定ステップと、
    を実行することを特徴とする糖鎖構造解析方法。
  2. 被検糖鎖に対しMS2分析を実行して得られたMSnスペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析装置であって、
    a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得手段と、
    b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて開裂により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する特異的イオン取得手段と、
    c)被検糖鎖に対して得られたMS2スペクトルにおいて前記特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定手段と、
    を備えることを特徴とする糖鎖構造解析装置。
  3. 被検糖鎖に対しMSn分析(n=2,3,…、ただしnの最大値は3以上の整数)を実行して得られたMSnスペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析方法であって、
    a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得ステップと、
    b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する第1の特異的イオン取得ステップと、
    c)被検糖鎖に対して得られたMSmスペクトル(m=2,……、ただしmの最大値はn−1)において前記第1の特異的イオン取得ステップにおいて抽出された又は後記第2の特異的イオン取得ステップにおいて抽出された特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出する特異的イオン検出ステップと、
    d)該特異的イオン検出ステップにおいて検出された特異的イオンの質量電荷比をプリカーサイオンに設定して被検糖鎖に対しMSm+1分析を実行するMSm+1分析ステップと、
    e)前記MSm+1分析時のプリカーサイオンの質量電荷比を持つ特異的なプロダクトイオンを解離させたときに生成され得る2次的プロダクトイオンを算出し、その中で解離前の特異的なプロダクトイオン毎に特異的な2次的プロダクトイオンを抽出する第2の特異的イオン取得ステップと、
    f)被検糖鎖に対して得られたMSm+1スペクトルにおいて前記特異的な2次的プロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、MSm+1分析の最終段の解離前の特異的なプロダクトイオンを特定し、その結果と前記特異的イオン検出ステップにおけるピーク検出結果とに基づいて前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定ステップと、
    を有し、前記構造候補取得ステップ及び前記第1の特異的イオン取得ステップを実行したあとに、mの値を2から順に増加させつつ、前記特異的イオン検出ステップ、前記MSm+1分析ステップ、及び前記第2の特異的イオン取得ステップを1回以上繰り返し、そのあとに前記構造候補判定ステップを実行することで糖鎖構造候補を絞り込むことを特徴とする糖鎖構造解析方法。
  4. 被検糖鎖に対しMSn分析(n=2,3,…、ただしnの最大値は3以上の整数)を実行して得られたMSnスペクトルデータを利用して該被検糖鎖の構造を推定する糖鎖構造解析装置において、
    a)被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比に基づいて、該被検糖鎖の複数の糖鎖構造候補を取得する構造候補取得手段と、
    b)前記複数の糖鎖構造候補のそれぞれについて解離により生成され得るプロダクトイオンを算出し、その中で糖鎖構造候補毎に特異的なプロダクトイオンを抽出する第1の特異的イオン取得手段と、
    c)被検糖鎖に対して得られたMSmスペクトル(m=2,……、ただしmの最大値はn−1)において前記第1の特異的イオン取得手段により抽出された又は後記第2の特異的イオン取得手段により抽出された特異的なプロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出する特異的イオン検出手段と、
    d)該特異的イオン検出手段により検出された特異的イオンの質量電荷比をプリカーサイオンに設定して被検糖鎖に対しMSm+1分析を実行するMSm+1分析実行手段と、
    e)前記MSm+1分析時のプリカーサイオンの質量電荷比を持つ特異的なプロダクトイオンを解離させたときに生成され得る2次的プロダクトイオンを算出し、その中で解離前の特異的なプロダクトイオン毎に特異的な2次的プロダクトイオンを抽出する第2の特異的イオン取得手段と、
    f)被検糖鎖に対して得られたMSm+1スペクトルにおいて前記特異的な2次的プロダクトイオンの質量電荷比を有するピークを検出し、その検出結果に基づいて、MSm+1分析の最終段の解離前の特異的なプロダクトイオンを特定し、その結果と前記特異的イオン検出手段によるピーク検出結果とに基づいて前記複数の糖鎖構造候補の信頼度を判断する構造候補判定手段と、
    を備え、前記構造候補取得手段及び前記第1の特異的イオン取得手段による処理を実行したあとに、mの値を2から順に増加させつつ、前記特異的イオン検出手段、前記MSm+1分析実行手段、及び前記第2の特異的イオン取得手段による処理を1回以上繰り返し、そのあとに前記構造候補判定手段による処理を実行することで糖鎖構造候補を絞り込むことを特徴とする糖鎖構造解析装置。
  5. 請求項1又は3に記載の糖鎖構造解析方法であって、
    前記構造候補取得ステップでは、糖鎖由来のプリカーサイオンの質量電荷比とそれに対応する複数の糖鎖構造とが対応付けて収録されたデータベースを用い、被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比から複数の糖鎖構造候補を求めることを特徴とする糖鎖構造解析方法。
  6. 請求項2又は4に記載の糖鎖構造解析装置であって、
    糖鎖由来のプリカーサイオンの質量電荷比とそれに対応する複数の糖鎖構造とが対応付けて収録されたデータベースをさらに備え、
    前記構造候補取得手段は被検糖鎖に対するMS2分析時のプリカーサイオンの質量電荷比から前記データベースを利用して複数の糖鎖構造候補を求めることを特徴とする糖鎖構造解析装置。
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