Исследование состава и структуры реальных биологических объектов при помощи масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Кононихин, Алексей Сергеевич

• Кононихин, Алексей Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кононихин, Алексей Сергеевич

Введение.

Глава 1. Литературный обзор

1. Развитие масс-спектрометрии ИЦР ПФ.

1.1. Циклотрон.

1.2. Ловушка Пеннинга.

1.3. Масс-спектрометр ИЦР ПФ.

1.4. Методы ионизации.

1.5. Протеомный анализ «по восходящей»(ВОТТОМ UP).

1.6. Методы фрагментация (МС/МС).

1.7. Поиск и идентификация Пост-Трансляционных Модификаций.

1.8. Развитие метода точных массово-временных меток.

1.9. Гумусовые кислоты.

1.10. Моча человека.

1.11. Конденсаты выдыхаемого человеком воздуха.

Глава 2. Увеличение выхода многозарядных ионов в методе МАЛДИ.

Глава 3. Исследование элементного состава гумусовых кислот при помощи масс-спектрометрии ИЦР ПФ.

Глава 4. Исследование белкового состава мочи и КВВ человека при помощи масс-спектрометрии ИЦР ПФ.

4.1. Хромато-масс-спектрометрическая методика для анализа проб мочи и КВВ человека.

4.2. Метод точных массово-временных меток для исследования белкового состава мочи человека.

4.3. Поиск и идентификация пост-трансляционных модификаций в белках, содержащихся в моче человека.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование состава и структуры реальных биологических объектов при помощи масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье»

При помощи современных методик, основанных на масс-спектрометрическом анализе, можно исследовать биологические объекты самого разного происхождения и сложности. Это стало возможным благодаря созданию новых методов ионизации вещества, метода электроспрей и метода лазерной десорбции/ионизации из матрицы (МАЛДИ), которые позволили переводить в газовую фазу и одновременно ионизировать большие биологические молекулы, такие как пептиды, белки и полинуклеотиды.

Масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами масс-спектрометрии. Главными достоинствами данной методики являются: высокая разрешающая способность и рекордная точность измерения масс. На базе современного масс-спектрометра ИЦР ПФ можно реализовать методики для однозначной идентификации элементного состава как индивидуальных биомолекул, так и их смесей.

В настоящее время полностью расшифрованы геномы различных организмов, в том числе и человека. Относительно небольшим набором генов кодируется большое количество разных белков. В связи с исследованиями многообразия белков, содержащихся в различных биологических объектах, возникла новая фундаментальная концепция, названная «протеом» (ПРОТЕиновое дополнение к генОМу). Создана новая дисциплина -протеомика, которая призвана дополнить и аннотировать геномные исследования. Современная масс-спектрометрия ИЦР ПФ занимает передовые позиции в решении основной задачи протеомики - идентификация белков и пост-трансляционных модификаций в них.

Поскольку масс-спектрометр ИЦР ПФ обладает ограниченным динамическим диапазоном, а в различных организмах содержится большой диапазон относительных концентраций белков - необходимо использовать масс-спектрометры ИЦР ПФ в комбинации с существующими аналитическими методами разделения (жидкостная хроматография, электрофорез).

Главной целью в данной работе являлись разработка и оптимизация методов использующих масс-спектрометрию ИЦР ПФ для исследования элементного и протеомного состава таких объектов как: (1) моча человека, (2) конденсаты выдыхаемого человеком воздуха (КВВ), (3) гумусовые кислоты.

В работе были поставлены (и решены) следующие задачи: (1) исследовать механизмы получения многозарядных ионов и разработать способ, позволяющий увеличить выход многозарядных ионов в методе МАЛДИ; (2) исследовать возможности различных методов фрагментации для идентификации биомакромолекул; (3) исследовать зависимость достоверности идентификации биомакромолекул от точности измерения масс и разрешения; (4) разработать хромато-масс-спектрометрические методики для анализа белкового состава мочи и КВВ человека; (5) разработать и внедрить метод точной массово-временной метки для анализа белкового состава мочи; (6) разработать подход идентификации белков с учетом произвольных посттрансляционных модификаций в них и использовать данный подход при исследовании протеома мочи человека; (7) создать новую базу данных, состоящую из точных массово-временных меток, для быстрого поиска и идентификации белков содержащихся в моче человека; (8) разработать методику на основе масс-спектрометрии ИЦР для исследования элементного состава гумусовых кислот.

Практическая значимость проведенных исследований:

Предложенный способ получения многозарядных ионов в методе МАЛДИ позволит более эффективно использовать данный метод для масс-спектрометрии ИЦР ПФ.

Разработанные хромато-масс-спектрометрические подходы для анализа биологических жидкостей человека могут быть в дальнейшем использованы для диагностики различных отклонений в организме человека, вызванных, в том числе, заболеваниями.

Новая база данных точных массово-временных меток может использоваться для высокопроизводительного анализа протеома мочи человека.

Новый подход для анализа гумусовых кислот может использоваться для элементного и сравнительного анализа сложных смесей, различного БиоГео происхождения. Методики, развитые для анализа конденсатов выдыхаемого человеком воздуха, в дальнейшем могут быть использованы для создания новых методов диагностики состояния легких.

Структура диссертации следующая.

Первая глава является литературным обзором, в котором дается краткое описание объектов, исследуемых в работе (гумусовые кислоты, моча и конденсаты выдыхаемого человеком воздуха), обсуждаются трудности и ограничения традиционных методов исследования данных объектов, обсуждаются возможности и преимущества применения масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) для исследования данных объектов, в комбинации с различными методами фрагментации и ионизации биомакромолекул, с высокоэффективной жидкостной хроматографией и новыми методами обработки масс-спектров ИЦР.

Более подробно рассмотрены вопросы касающиеся точности измерения масс и разрешающей способности масс-спектрометра ИЦР ПФ, поскольку от этих характеристик напрямую зависит точность и однозначность идентификации, как индивидуальных биомакромолекул, так и их смесей.

Во второй главе рассмотрены механизмы получения многозарядных ионов и разработан способ, позволяющий увеличить выход многозарядных ионов в методе МАЛДИ.

В третей главе описывается метод определения элементного состава гумусовых кислот, основанный на точном измерении масс при помощи масс-спектрометра ИЦР ПФ и статистической обработке данных. Особое внимание уделено новому методу статистической обработки, который был использован для анализа ИЦР масс-спектров.

В четвертой главе описывается хромато-масс-спектрометрическая методика, разработанная для анализа белкового состава мочи и КВВ человека, и применение метода точных массово-временных меток для поиска и идентификации белков, содержащихся в моче человека. Также описывается подход развитый для поиска произвольных пост-тарнсляционных модификаций белков, содержащихся в моче человека.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Кононихин, Алексей Сергеевич

Выводы:

• Разработаны методы точного измерения масс многоатомных молекул биологического происхождения с помощью масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье.

• Эти методы применены для анализа сложных систем: моча человека, конденсаты выдыхаемого человеком воздуха, гумусовые кислоты. Показано, что в пробе мочи человека удается идентифицировать до 120 белков в одном хромато-масс-спектрометрическом прогоне. В случае конденсатов выдыхаемого воздуха человека удается определить до 30-ти белков и сравнить профили экспрессии белков.

• Предложен и опробован способ приготовления образца, позволяющий увеличить выход многозарядных ионов в методе МАЛДИ.

• Создана база данных точных массово-временных меток для исследования протеома мочи человека. База данных может использоваться для быстрого поиска и идентификации белков без применения методов фрагментации. Идентификация при этом производится по точной массе пептидов и временам их удерживания в хроматографической колонке.

• Новый метод для поиска пост-трансляционных модификаций позволил значительно снизить время поиска и определить наиболее часто встречающиеся пост-трансляционные модификации белков, содержащихся в моче человека.

• С использованием масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье и нового метода вычисления обобщенной статистики разности масс более детально исследован элементный состав гумусовых кислот. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами традиционного элементного анализа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кононихин, Алексей Сергеевич, 2007 год

1. Lawrence Е.О. and Livingston M.S., The production of high speed light ions without the use of high voltages, Phys Rev, 1932,40: 19.

2. Penning F.M., Introduction of an axil magnetic field in the discharge (Glimmentladung) between two coaxial cylinders, Physica, 1936,111:873.

3. Marshall A.G., Milestones in Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry technique development, Int J Mass Spectrom, 2000, 200: 331356.

4. Guan S. and Marshall A.G., Ion traps for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: principles and design of geometric and electric configurations, Int J Mass Spectrom, 1995, 146: 262-296.

5. Comisarow M.B. and Marshall A.G., Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, Chem Phys Lett, 1974, 25: 282-283.

6. Comisarow M.B., Marshall A.G., Frequency-sweep Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectroscopy, Chem Phys Lett, 1974, 26: 489- 490.

7. Marshall A.G., Hendrikson C.L. and Jackson G.S., Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry: A primer, Mass Spectrom Rev, 1998,17:1-35.

8. Brigham E.O., The Fast Fourier Transform., N.Y.: Prentice Hall, 1974.

9. Белл Дж., Введение в Фурье-спектроскопию. Пер. С англ. М.: Мир, 1975

10. Alleman М., Kellerhals Н., Wanczek К.Р., A new Fourier transform mass spectrometer with a superconducting magnet, Chem Phys Lett, 1980, 75: 328 -331.

11. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F. and Whitehouse С. M., Electrospray Ionization for Mass Spectrometry of Large Biomolecules, Science, 1989, 64: 246.

12. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse C.M., Electrospray Ionization-Principles and Practice, Mass Spectrom Rev, 1990, 9: 37-70.

13. Karas M., Bachmann D., Hillenkamp F., Influence of the Wavelength in High-Irradiance Ultraviolet Laser Desorption Mass Spectrometry of Organic Molecules, Anal Chem, 1985, 57: 2935-2939.

14. Karas M., Bachman D., Bahr U, Hillenkamp F., Matrix-Assisted Ultraviolet Laser Desorption of Non-Volatile Compounds., Int J Mass Spectrom Ion Proc, 1987, 78: 53-68.

15. Tanaka K., Waki H., Ido Y., Akita S., Yoshida Y., Yoshida T., Protein and Polymer Analyses up to m/z 100 000 by Laser Ionization Time-of flight Mass Spectrometry, Rapid Commun Mass Spectrom, 1988,2: 151-153.

16. Karas M, Hillenkamp F., Laser desorption ionization of proteins with molecular masses exceeding 10,000 daltons, Anal Chem, 1988, 60: 2299-2301.

17. Barber M., Bordoli R.S., Sedwigck R.D. et al., Fast atom bombardment of solids (FAB) a new ion-source for mass spectrometry, J Chem Soc Chem Commun, 1981: 325-327.

18. Fenselau C., Cotter R.J, Chemical aspects of fast atom bombardment, Chem Rev, 1987, 87: 501-512.

19. Vertes A., Methods and Mechanisms of Producing Ions from Large Biomolecules, "Laser Desorption of Large Molecules: Mechanisms and Models". Ed. K. G. Standing and W. Ens, Plenum Press, New York, 1991.

20. Beavis R.C. and Chait B.T., 38th ASMS Conf Mass Spectrom Allied Top, 1990, 152-153.

21. Zhigilei L.V. and Garrison B.J., Molecular dynamic simulation study of the fluence dependence of particle and plume composition in laser desorption and ablation of organic solids, Appl Phys lett, 1999, 74, 1341-1343.

22. Vertes A. and Gijbels R., Laser Ionization Mass Analysis, Wiley, New York, 1993,127-175.

23. Zenobi R. and Knochenmuss R., Ion formation in MALDI Mass Spectrometry, Mass Spectrom Rev, 1998,17: 337-366.

24. Gimon M.E. et al., Are Proton Transfer Reaction of Excited States Involved in UV Laser Desorption Ionization, Organic Mass Spectrom, 1992,27: 827-830.

25. Lao P.-C. and Allison J., Ionization Processes in Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization mass Spectrometry: Matrix -dependent Formation of M+H. and [M+Na] Ions of Small Peptides and Some Mecanistic Comments, J. Mass Spectrom, 1995,30: 408-423.

26. Karas M. et al., Ionization in matrix-assisted laser desorption/ionization: singly charged molecular ions are the lucky survivors, Int J Mass Spectrom, 2000, 35: 1-12.

27. Александров М.Л., Галль Л.Н., Краснов H.B., Николаев В.И., Шкуров В.А., Экстракция ионов из растворов при атмосферном давлении новый метод масс-спектрометрического анализа, ДАН СССР, 1984, 277, №2, с.379-383.

28. Cottrell J., Database Searching for Protein Identification and Characterization, ASMS Tutorial, 2005.

29. Bogdanov B., Smith R.D., Proteomics by FTICR Mass-Spectrometry: Top-Down and Bottom-Up., Mass Spectrom Rev, 2005,24: 168- 200.

30. Henzel W.J., Billeci T.M., Stults J.T., Wong S C., Grimley C., Watanabe C., Proc Natl Acad Sei USA, 1993, 90: 5011.

31. James P., Quadroni M., Carafoli E. and Gönnet G., Biochem Biophys Res Commun, 1993, V. 195, 58-64

32. Mann M., Hojrup P. and Roepstorff P., Biol Mass Spectrom, 1993, V. 22,338345.

33. Pappin D.J.C., Hojrup P. and Bleasby A.J., Curr Biol, 1993, 3: 327.

34. Yates J.R., 3rd., Speicher S., Griffin P.R. and Hunkapiller T., Anal Biochem, 1993,214:397-408.

35. Eng J.K., McCormack A.L. and Yates J.R., 3rd., An approach to correlate tandem mass spectral data of peptides with amino acid sequences in a protein database, J Am Soc Mass Spectrom, 1994, 5:976-989.

36. Yates J.R., McCormack A.L., Eng J., Mining genomes with MS, Anal Chem, 1996, 68: 534A-540A.

37. McCormack A.L., Schieitz D.M., Goode B., Yang S., Barnes G., Drubin D., Yates J.R., Direct analysis and identification of proteins in mixtures by1./MS/MS and database searching at the low-femtomole level, Anal Chem, 1997, 69: 767-776.

38. Little D.P., Speir J.P., Senko M.W., O'Connor P.B., McLafferty F.W., Infrared multiphoton dissociation of large multiply charged ions for biomolecule sequencing, Anal Chem, 1994, 66: 2809-2815.

39. Price W.D., Schnier P.D., Williams E.R., Tandem mass spectrometry of large biomolecular ions by blackbody infrared radiative dissociation, Anal Chem, 1996,68: 859-866.

40. Ijames C.F., Wilkins C.L., Surface-induced dissociation by Fourier transform mass spectrometry,^««/ Chem, 1990, 62: 1295-1299.

41. Zhong W., Nikolaev E., Wysocki V. and Futrell J., Realization of Self-Assembled Monolayer SID in FT ICR, Anal Chem, 1997, 69: 2496-2503.

42. Rakov V.S., Futrell J.H., Denisov E.V., Nikolaev E.N., Instrumentation of kinetic energy-resolved surface-induced dissociation in Fourier transform mass spectrometry, Eur J Mass Spectrom, 2000, 6 (3): 299-317.

43. Zubarev R.A., Kelleher N.L., McLafferty F.W., Electron capture dissociation of multiply charge protein cations: A nonergodic process, J Am Chem Soc, 1998,120: 3265-3266.

44. Mann M., Jensen O.N., Proteomic analysis of post-translational modifications. Nat biotechnol, 2003,21.

45. Lane C.S., Mass spectrometry-based proteomics, CMLS, Cell Mol Life Sci, 2005,2.

46. Mann M. and Wilm M., Error-tolerant identification of peptides in sequence databases by peptide sequence tags, Anal Chem, 1994, 66:4390-4399.

47. Craig R. and Beavis R.C., A method for reducing the time required to match protein sequences with tandem mass spectra, Rapid Commun Mass Spectrom, 2003,17(20):2310-2316.

48. Eng J.K., McCormack A.L. and Yates J.R., 3rd., An approach to correlatetandem mass spectral data of peptides with amino acid sequences in a protein database, J Am Soc Mass Spectrom, 1994, 5: 976-989.

49. Perkins D.N., Pappin D.J.C., Creasy D.M., Cottrell J.S., Probability-based protein identification by searching sequence databases using mass spectrometry data, Electrophoresis, 1999,20: 3551-3567.

50. Lipton M.S., Pasva-Tolic' L., Anderson G.A., Anderson D.J., Auberry D.L., Battista J.R., Daly M.J., Fredrickson J., Hixson K.K., Kostandarithes H., Masselon C., Markillie L.M., Moore R.J., Romine M.F., Shen Y., Stritmatter

51. E., Tolic' N., Udseth H.R., Venkateswaran A., Wong K.-K., Zhao R., Smith R.D., Global analysis of the Deinococcus radiodurans proteome by using accurate mass tags, Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99: 11049-11054.

52. Pasva-Tolic' L., Lipton M.S., Masselon C.D., Anderson G.A., Shen Y., Tolic' N., Smith R.D., Gene expression profiling using advanced mass spectrometric approaches, J Mass Spectrom, 2002, 37: 1185-1198.

53. Bossio R.E., Marshall A.G., Baseline resolution of isobaric phosphorylated and sulfated peptides and nucleotides by electrospray ionization FTICR MS: Another step toward mass spectrometry-based proteomics, Anal Chem, 200, 74: 1674-1679.

54. He F., Hendrickson C.L., Marshall A.G., Baseline mass resolution of peptide isobars: A record for molecular mass resolution, Anal Chem, 2001, 73: 647650.

55. Kearney P., Thibault P., Bioinformatics meets proteomics—bridging thegap between mass spectrometry data analysis and cell biology, J Bioinformatics Comput Biol, 2003,1: 183-200.

56. Geromanos S.J., Richardson K., Young P., Denny R., Gorenstein M., Li G.-Z., Riley T., Silva J., Opiteck G.J., Dongre A.R., Hefta S.A., 52ndASMS Conf Mass Spectrom Allied Top, 2004.

57. Johnson K.L., Mason C.J., Muddiman D.C., Eckel J.E., Analysis of the low molecular weight fraction of serum by LC-dual ESI-FT-ICR mass spectrometry: Precision of retention time, mass, and ion abundance, Anal Chem, 2004, 76: 5097-5103.

58. Li X., Pedrioli P., Eng J., Martin D., Yi E., Lee H., Aebersold R., A tool to visualize and evaluate data obtained by liquid chromatography-electrospray ionization-mass spectrometry, Anal Chem, 2004, 76: 3856- 3860.

59. Radulovic D., Jelveh S., Ryu S., Hamilton T.G., Foss E., Mao Y., Emili A., Informatics platform for global proteomic profiling and biomarker discovery using liquid-chromatography-tandem mass spectrometry, Mol Cell Proteom, 2004, 3: 984-997.

60. Rabi I.I., Zacharias J.R., Millman S. and Kusch P., A New Method of Measuring Nuclear Magnetic Moment, Phys Rev, 1938, 53:318.

61. Taylor R., Hare J.P., Abdul-Sada A.K., Kroto H.W., Isolation, separation and characterization of the fiillerenes C60 and C70: the third form of carbon, J Chem Soc Chem Commun, 1990,20: 1423-1425.

62. Martin G.E, Zekter A.S., Two-Dimensional NMR Methods for Establishing Molecular Connectivity, VCH Publishers, Inc: New York, 1988.

63. Kurt W., NMR of Proteins and Nucleic Acids Wiley-Interscience, New York, NYUSA 1986.

64. Van Krevelen D.W., Fuel, 1950,29:269.

65. Van Krevelen D.W., OrgGeochem, 1984, 6: 1.

66. Kim S., Kramer R.W., Hatcher P.G., Graphical method for analysis of ultrahigh-resolution broadband mass spectra of natural organic matter, the van Krevelen diagram, Anal Chem, 2003, 75: 5336-5344.

67. Wu Z., Rodgers R.P., Marshall A.G., Anal Chem, 2004, 76:2511.

68. Kendrick E., Anal Chem, 1963,35:2146.

69. Hughey C.A., Hendrickson C.L., Rodgers P.R., Marshall A.G., Kendrick mass defect spectrum: a compact visual analysis for ultrahigh-resolution broadband mass spectra, Anal Chem, 2001, 73: 4676-4681.

70. Bowman J.H., Costello C.E., O'Connor G.T., Walter R.E., Mass Spectrometric Analysis of Eicosanoids and Proteins in Exhaled Breath Condensate, 53thd ASMS Conf Mass Spectrom Allied Top, 2005.

71. Montuschi P. et al., Am JRespir Crit Care Med, 1999,160: 216-220.

72. Corradi M. and Mutti A., Exhaled Breath Analysis: from Occupational to Respiratory Medicine, Acta Biomed Ateneo Parmense, 2005, 76: 20-29.

73. Neumann L., A powerful system for sampling pure breath condensate, 2001 Erich JAEGER GmbH.

74. Kononikhin A., Nikolaev E., Frankevich V. and Zenobi R., Letter: Multiply Charged Ions in Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Generated from Electrosprayed Sample Layers, Eur J Mass Spectrom, 2005,11: 257-260.

75. Karas M. et al., Ionization in matrix-assisted laser desorption/ionization: singly charged molecular ions are the lucky survivors, Int J Mass Spectrom, 2000, 35: 1-12.

76. Kunenkov E.V., Kononikhin A.S., Perminova I.V., Garmash A.V., Popov I.A., Nikolaev E.N., Complex mixtures analyses by FTICR-MS using statistics of mass differences, 55th ASMS Conf Mass Spectrom Allied Top, 2007.

77. Kunenkov E.V., Kononokhin A.S., Gaspar A., Schmitt-Kopplin Ph., Perminova I.V., Garmash A.V., Hertkorn N., Popov I.A., Nikolaev E.N.,

78. Tanner S., Shu H., Frank A., Wang L.-C., Zandi E., Mumby M., Pevzner P.A., Bafna V., Anal Chem, 2005,77:4626 -4639.