JP2011196759A

JP2011196759A - 質量分析による糖鎖の分析方法

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Publication number: JP2011196759A
Application number: JP2010062174A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Shimaoka; 秀行島岡; Midori Abe; 碧阿部; Kota Igarashi; 幸太五十嵐
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: US20120070902A1; US20130071938A1; JP5392500B2; WO2011115212A1

Abstract

【課題】ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳは、複雑なサンプル調製が不要で、簡便迅速に測定が行えることから、バイオマーカー探索の強力なツールの一つと考えられる。しかし、糖鎖の分析を行う場合、分析の感度の向上を図ることが一つの課題となっている。生体試料中に含まれる糖鎖を、高い感度で分析する方法を提供する。
【解決手段】試料糖鎖の水酸基をメチル化した上で、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ測定を行うことにより、糖鎖のイオンか効率を高めることが可能であり、これにより、高い精度で試料糖鎖の定量的分析や構造解析が可能であることを見出した。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体試料中に含まれる糖鎖を質量分析により分析する方法に関する。

糖鎖とは、グルコース、ガラクトース、マンノース、フコース、キシロース、Ｎ−アセチルグルコサミン、Ｎ−アセチルガラクトサミン、シアル酸などの単糖およびこれらの誘導体がグリコシド結合によって鎖状に結合した分子の総称である。

糖鎖は非常に多様性に富んでおり、天然に存在する生物が有する様々な機能に関与する物質である。糖鎖は生体内でタンパク質や脂質などに結合した複合糖質として存在することが多く、生体内の重要な構成成分の一つである。生体内の糖鎖は細胞間情報伝達、タンパク質の機能や相互作用の調整などに深く関わっていることが明らかになりつつある。

例えば、糖鎖を有する生体高分子としては、細胞の安定化に寄与する植物細胞の細胞壁のプロテオグリカン、細胞の分化、増殖、接着、移動等に影響を与える糖脂質、および細胞間相互作用や細胞認識に関与している糖タンパク質等が挙げられるが、これらの高分子の糖鎖が、互いに機能を代行、補助、増幅、調節、あるいは阻害しあいながら高度で精密な生体反応を制御する機構が次第に明らかにされつつある。さらに、このような糖鎖と細胞の分化増殖、細胞接着、免疫、および細胞の癌化との関係が明確にされれば、この糖鎖工学と、医学、細胞工学、あるいは臓器工学とを密接に関連させて新たな展開を図ることが期待できる（非特許文献１）。

病気を早期発見して生活の質（ＱＯＬ）を高く保つためには、病気の発症の予防や推移を診断できるバイオマーカーが必要である。糖鎖生合成にかかわる糖転移酵素の遺伝子破壊マウスの解析から、糖鎖はさまざまな組織・器官の機能維持に必須であることが明らかにされている（非特許文献２、３）。また、糖鎖修飾に異常がみられるとさまざまな疾病が引き起こされることも知られている（非特許文献４）。糖鎖の構造は細胞の癌化やさまざまな疾病によって著しく変化するので、疾病の推移を調べるためのバイオマーカーとしての利用が期待されている。

ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳは、複雑なサンプル調製が不要で、簡便迅速に測定が行えることから、近年、バイオマーカー探索の強力なツールの一つと考えられている（特許文献１〜３）。しかしながら、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳにより糖鎖の分析を行う場合、分析の感度の向上を図ることが一つの課題となっている。

特開２００９−１４２２３８号公報特開２００９−２１６６０９号公報特開２００９−２２９４２６号公報

糖鎖生物学入門化学同人 2005年11月1日発行第1版 Ioffe E., Stanley P., Proc. Natl. Acad. Sci., 91, pp.728-732 (1994) Metzler M., Gertz A., Sarker M., Schachter H., Schrader J.W., Marth J.D., EMBO J., 13, pp.2056-2065 (1994) Powell L.D., Paneerselvam K., Vij R., Diaz S., Manzi A., Buist N., Freeze H., Varki A., J. Clin. Invest., 94, pp.1901-1909 (1994)

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、生体試料中に含まれる糖鎖を、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳに代表される質量分析法を用いて高い感度で分析する方法を提供することにある。

本発明者らは、糖鎖が多くの水酸基を含み、極性の高い中性物質であることから質量分析を行う際のイオン化効率が低く、それゆえに、質量分析を実施した場合の精度が低くなることに鑑み、この問題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、試料糖鎖の水酸基をメチル化した上で、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ測定を行うことにより、糖鎖のイオン化効率を高めることが可能であり、これにより、高い感度で試料糖鎖の定量的分析や構造解析が可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、生体試料に含まれる糖鎖の水酸基をメチル化した上で質量分析法により糖鎖を分析する方法に関し、より詳しくは、以下の発明を提供するものである。

[１] 生体試料に含まれる糖鎖を質量分析法により分析する方法であって、
（ａ）生体試料から糖鎖を遊離する工程、
（ｂ）遊離させた糖鎖を固相担体に捕捉する工程、
（ｃ）捕捉した糖鎖を再遊離する工程、
（ｄ）再遊離した糖鎖の水酸基をメチル化する工程、および
（ｅ）メチル化した糖鎖を質量分析法により分析する工程、
を含む方法。

[２] [１]に記載の方法を実施するための、糖鎖の水酸基をメチル化するための試薬を含むキット。

本発明によれば、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳを用いて、生体試料中に含まれる糖鎖を高い感度で分析することが可能となる。また、水酸基をメチル化した糖鎖を酸加水分解などにより切断した場合、切断部位のみ水酸基が生じるため、本発明によれば、糖鎖の切断部位や結合様式をも解析することが可能となる。

図１は、ウシ血清ＩｇＧのＮ型結合糖鎖をＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳにより分析した結果を示す図である。

（生体試料から糖鎖を遊離する工程）
本発明において使用する糖鎖を含む試料は、例えば全血、血清、血漿、尿、唾液、細胞、組織、ウイルス、植物組織などの生体試料を用いることができる。また、精製された、あるいは未精製の糖タンパク質を用いることができる。試料は脱脂、脱塩、タンパク質分画、熱変性などの方法により前処理されていてもよい。

糖鎖遊離手段を用いて上記生体試料に含まれる糖タンパク質から糖鎖を遊離させる。糖鎖を遊離させる手段としては、Ｎ−グリコシダーゼあるいはＯ−グリコシダーゼを用いたグリコシダーゼ処理、ヒドラジン分解、アルカリ処理によるβ脱離などの方法を用いることができる。Ｎ型糖鎖の分析を行う場合は、Ｎ−グリコシダーゼを用いる方法が好ましい。グリコシダーゼ処理に先立って、トリプシンやキモトリプシンなどを用いてプロテアーゼ処理を行ってもよい。

（遊離した糖鎖を固相担体に捕捉する工程）
糖鎖を含む溶液を糖鎖と特異的に結合する捕捉担体に接触させて捕捉担体上に糖鎖を捕捉する。

糖鎖は生体内物質のなかで唯一、アルデヒド基をもつ物質である。すなわち、糖鎖は水溶液などの状態で環状のヘミアセタール型と、非環状型のアルデヒド型とが平衡で存在する。タンパク質や核酸、脂質など糖鎖以外の生体内物質にはアルデヒド基が含まれていない。このことから、アルデヒド基と特異的に反応して安定な結合を形成する官能基を有する捕捉担体を利用すれば、糖鎖のみを選択的に捕捉することが可能である。アルデヒド基と特異的に反応する官能基としては、例えば、オキシルアミノ基、ヒドラジド基、アミノ基、セミチオカルバジド基ならびにそれらの誘導体を好ましく、ヒドラジド基あるいはオキシルアミノ基がより好ましい。オキシルアミノ基とアルデヒド基との反応によって生じるオキシム結合およびヒドラジド基とアルデヒド基との反応によって生じるヒドラゾン結合は、酸処理などによって容易に切断されるため、糖鎖を捕捉したのち、糖鎖を担体から簡単に切り離すことができる。一般的に、生理活性物質の捕捉・担持にはアミノ基が多用されているが、アミノ基とアルデヒド基の反応によって生じる結合（シッフ塩基）は結合力が弱いため、還元剤などを用いた二次処理が必要であることから、アミノ基は糖鎖の捕捉には好ましくない。

糖鎖を捕捉するための担体としては、ポリマー粒子を用いることが好ましい。ポリマー粒子は、少なくとも表面の一部に糖鎖のアルデヒド基と特異的に反応する官能基を有した固体あるいはゲル粒子であることが好ましい。ポリマー粒子が固体粒子あるいはゲル粒子であれば、ポリマー粒子に糖鎖を捕捉させたのち、遠心分離やろ過などの手段によって容易に回収することができる。また、ポリマー粒子をカラムに充填して用いることも可能である。カラムに充填して用いる方法は、特に連続操作化の観点から重要となる。反応容器としてフィルタープレート（例えば、Millipore社製のMultiScreen Solvinert Filter Plate）を用いることにより、複数のサンプルを同時に処理することが可能となり、例えばゲルろ過に代表されるカラム操作による従来の精製手段と比較して、糖鎖精製のスループットが大幅に向上される。

ポリマー粒子の形状は特に限定しないが、球状またはそれに類する形状が好ましい。ポリマー粒子が球状の場合、平均粒径は好ましくは０．０５〜１０００μｍであり、より好ましくは０．０５〜２００μｍであり、さらに好ましくは０．１〜２００μｍであり、最も好ましくは０．１〜１００μｍである。平均粒径が下限値未満では、ポリマー粒子をカラムに充填して用いる際、通液性が悪くなるために大きな圧力を加える必要がある。また、ポリマー粒子を遠心分離やろ過で回収することも困難となる。平均粒径が上限値を超えると、ポリマー粒子と試料溶液の接触面積が少なくなり、糖鎖捕捉の効率が低下する。本発明においては、ヒドラジド基含有ポリマー粒子である「BlotGlyco^(Ｒ)」（住友ベークライト株式会社製、#BS-45603）を好適に用いることができる。

糖鎖を特異的に捕捉するポリマー粒子によって糖鎖を捕捉する際の反応系のｐＨは、好ましくは２〜９、より好ましくは２〜７であり、さらに好ましくは２〜６である。ｐＨ調整のためには、各種緩衝液を用いることができる。糖鎖捕捉時の温度は、好ましくは４〜９０℃、より好ましくは４〜７０℃、さらに好ましくは３０〜８０℃であり、最も好ましくは４０〜８０℃である。反応時間は適宜設定することができる。ポリマー粒子をカラムに充填して試料溶液を通過させてもよい。

ポリマー粒子を用いた場合、担体表面には糖鎖以外の莢雑物が非特異的に吸着しているため、これらを洗浄除去する必要がある。洗浄液としては、水、緩衝液、界面活性剤を含む水または緩衝液、有機溶剤などを適宜組み合わせて用いることが好ましい。特に好ましい形態は、界面活性剤を含む水または緩衝液で十分に洗浄したのち、有機溶剤で洗浄し、最後に水で洗浄する方法である。これらの洗浄により、非特異的吸着物がポリマー粒子表面から除去される。

担体上の余剰官能基は、例えば、無水酢酸などを利用して、キャッピングすることができる。

（捕捉した糖鎖を再遊離する工程）
次いで、捕捉担体であるポリマー粒子に結合した糖鎖を再遊離し、精製された糖鎖試料を得る。

ポリマー粒子に結合した糖鎖を別の化合物（以下、「化合物Ａ」と称す）に置換する工程に関して説明する。化合物Ａはラベル化試薬であることが好ましい。糖鎖が結合しているポリマー粒子に対して化合物Ａを過剰量加えることで置換が成される。すなわち、糖鎖はポリマー粒子から切り離され、それと同時に糖鎖に化合物Ａが付加する（糖鎖はＡで「ラベル化」される）。過剰に加える化合物Ａの量は、好ましくはポリマー粒子が有する糖鎖と特異的に反応する官能基量の１．５倍量以上、より好ましくは３倍量以上、さらに好ましくは５倍量以上であり、最も好ましくは１０倍量以上である。反応系のｐＨは、好ましくは２〜９、より好ましくは２〜７であり、さらに好ましくは２〜６である。ｐＨ調整のためには、各種緩衝液を用いることができる。反応系の温度は、好ましくは４０〜９０℃、より好ましくは４０〜８０℃である。本工程後、溶媒は蒸発していることが好ましい。

化合物Ａとしては、アミノオキシ基またはヒドラジド基を有する化合物が好ましく、最も好ましい化合物は、Ｎ-アミノオキシアセチル−トリプトファニル(アルギニンメチルエステル)である。この化合物は、上記の「BlotGlyco^(Ｒ) for MALDI」（住友ベークライト株式会社製、#BS-45603）に付属の再遊離試薬として、市販されている。
ここでは、糖鎖捕捉物質に捕捉された糖鎖を遊離して標識化サンプルを得る方法を説明したが、下記の方法によれば、非標識サンプルを得ることができ、本発明はこのような試料調製方法をも提供する。この試料調製方法は、糖鎖が結合しているポリマー粒子を酸性条件で処理することにより、ヒドラゾン結合を解離させ、糖鎖を遊離させることを特徴としている。このときの酸性条件での処理は、０．０１〜２０体積パーセントの酢酸溶液による処理であり、好ましくは０．１〜５体積パーセントの酢酸溶液にて、４０〜８０℃で５〜６０分間行われる。本工程後、溶媒が蒸発していることが好ましい。

（再遊離した糖鎖の水酸基をメチル化する工程）
次いで、再遊離した糖鎖の水酸基をメチル化する。メチル化試薬としては、例えば、ヨードメタンが挙げられる。メチル化試薬の量は、好ましくは１０〜２００μＬ、より好ましくは１０〜１００μＬである。メチル化試薬は、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）との混合液であることが好ましく、ＮａＯＨ／ＤＭＳＯスラリーであることがより好ましい。ここでＮａＯＨ／ＤＭＳＯスラリーとは、微粉化した固体のＮａＯＨを、ＤＭＳＯに分散させたものである。

メチル化試薬溶液を上記糖鎖再遊離工程を経たポリマー粒子に添加し、所定の温度、時間静置することにより、糖鎖のメチル化が行われる。メチル化工程は、通常、１０〜６０℃、好ましくは１０〜４０℃で、１０分間行われる。

メチル化反応は、純水を添加することにより、停止することができる。反応液からのメチル化糖鎖の回収は、例えば、クロロホルム抽出により行うことができる。例えば、メチル化反応の反応液をクロロホルムに添加し、その後、クロロホルム層を回収し、これを純粋で洗浄後、クロロホルム溶液を蒸発させたものを、後述の質量分析に用いることができる。

上記のように、本発明の方法によれば、再遊離した糖鎖をポリマー粒子と分離する必要がなく、糖鎖とポリマー粒子が混在したままでメチル化が可能である。また、メチル化反応は禁水反応であるため、通常、糖鎖溶液を凍結乾燥などの方法で乾燥させたものを、この反応に使用するが、本発明の方法では、糖鎖再遊離工程後には溶媒が蒸発しているため、乾燥工程は必要ない。このように、本発明は、簡便な操作で糖鎖の精製とメチル化を行う方法を提供するものである。

（メチル化した糖鎖を質量分析法により分析する工程）
得られた糖鎖は、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳに代表される質量分析法で分析することができる。ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ測定により得られたマススペクトルは、解析ソフト等を用いて解析することができる。質量電荷比（m/z値）を読み取ることにより、試料糖鎖のピークが検出される。質量電荷比やピーク強度（ピーク高さ、ピーク面積など任意の指標）から、糖鎖の定量や糖鎖の構造を分析することができる。糖鎖の分析においては、各種データベース（例えば、GlycoMod、Glycosuiteなど）を利用することができる。

（キット）
本発明は、上記本発明の方法を実施するための、糖鎖の水酸基をメチル化するための試薬を含むキットを提供する。本発明のキットには、メチル化試薬以外に、例えば、（１）糖鎖を捕捉（精製）するための担体（ビーズなど）、（２）担体に捕捉された糖鎖を標識化および／または再遊離するための試薬、（３）反応液中に過剰に存在する（２）の試薬を除去するための担体（カラムなど）、（４）反応用チューブ、（５）使用説明書、を含むことができる。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

[実施例１] 糖タンパク質からの糖鎖遊離
ウシ血清イムノグロブリンＧ（IgG，シグマアルドリッチ製，#I5506）１ｍｇをチューブに取り、１Ｍの重炭酸アンモニウム水溶液(５μＬ)、純水(５０μＬ)、１２０ｍＭのジチオスレイトール水溶液(５μＬ)を加え、完全に溶解させた後、６０℃で３０分間インキュベートした。次に、１２３ｍＭのヨードアセトアミド水溶液（１０μＬ）を加え、遮光して室温で１時間静置したのち、トリプシン４００ユニットを加え、３７℃で１時間静置した。９５℃で５分間加熱することでトリプシンを失活させた後、Ｎ-グリコシダーゼＦ（ロシュ・ダイアグノスティックス製，#11365193001）５ユニットを加え、３７℃で１６時間静置することで糖鎖を遊離させた。

[実施例２] ポリマー粒子への糖鎖担持
得られた遊離糖鎖溶液２０μL（ＩｇＧ１００μｇ相当）を、ポリマー粒子（住友ベークライト株式会社製、BS-45603）５ｍｇに添加し、２％酢酸を含むアセトニトリル１８０μＬを加えたのち、８０℃で１時間反応させ、乾固させた。２Ｍグアニジン塩酸塩溶液、水、メタノール、１％トリエチルアミン溶液にてポリマー粒子を洗浄後、１０％無水酢酸／メタノール溶液を添加し、室温で３０分間反応させヒドラジド基をキャッピングした。キャッピング後、メタノールおよび水でポリマー粒子を洗浄した。

[実施例３] 糖鎖再遊離
上記で調製した糖鎖担持ポリマー粒子に、純水２０μＬ、２％酢酸を含むアセトニトリルを１８０μＬを加えたのち、８０℃で１時間反応させ、乾固させることにより、糖鎖をポリマー粒子から遊離させた。

[実施例４] メチル化試薬溶液の調製
粒状の水酸化ナトリウム約１ｇを乳鉢にとり、乳棒ですみやかに粉砕した。これにＤＭＳＯ１ｍＬを加えて混合し、スラリー状の溶液を調製した。この溶液１００μＬとヨードメタン（和光純薬工業製，#131-02661）１００μＬを混合し、メチル化試薬溶液を調製した。

[実施例５] 糖鎖のメチル化
上記、糖鎖再遊離後のポリマー粒子に、メチル化試薬溶液１００μＬを添加した。２５℃で１０分間静置し反応させた後、純水２００μＬを加えて反応を停止した。フィルトレーションにより溶液とポリマー粒子を分離し、溶液を回収した。溶液をサンプルチューブに移し、４００μＬのクロロホルムを加え、１分間撹拌することにより、メチル化された糖鎖をクロロホルム層に回収した。サンプルチューブを静置してクロロホルム層と水層を分離させたのち、クロロホルム層を別のサンプルチューブに回収した。これに純水８００μＬを加え、１分間撹拌することにより、クロロホルム層に含まれる水溶性不純物を除去した。サンプルチューブを静置してクロロホルム層と水層を分離させたのち、クロロホルム層を別のサンプルチューブに回収し、遠心乾燥機で乾燥させ、メチル化糖鎖を得た。

[実施例６] ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ測定
得られたメチル化糖鎖を１００μＬのメタノールに溶解させた。この溶液をマトリックス溶液（２，５−ジヒドロキシ安息香酸の１０ｍｇ/ｍＬ水溶液）で１０倍希釈し、うち１μＬを試料台にスポット、乾燥・結晶化させた。これをマトリックス支援レーザーイオン化−飛行時間型質量分析器（ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ）（ブルカー・ダルトニクス社製' autoflex III'）により分析した。測定はポジティブイオン検出モード、リフレクトロンモードにて行った。

得られたマススペクトルを（図１）に示す。スペクトルから得られた質量数対電荷比（m/z値）から糖鎖組成を推定した。糖鎖組成の推定は、ＧｌｙｃｏＭｏｄｔｏｏｌ（http://www.expasy.org/tools/glycomod/）およびＧｌｙｃｏＳｕｉｔｅデータベース(http://glycosuitedb.expasy.org/glycosuite/glycodb)を使用して行った。推定した糖鎖の模式図を図１のマススペクトル中に示す。

以上のように、試料糖鎖の水酸基をメチル化した上で、ＭＡＬＤＩ-ＴＯＦＭＳ測定を行うことにより、高い感度で試料糖鎖の定量的分析や構造解析が可能であることが示された。

本発明の糖鎖分析法を用いると、生体試料、たとえば疾患患者の血清、組織などに含まれる糖タンパク質糖鎖の定量的分析（定量的プロファイリング）や構造解析を高い感度で行うことが可能となり、疾患マーカー糖鎖の探索や、薬剤投与時の糖鎖動態研究など、医療の分野での利用可能性がある。

Claims

生体試料に含まれる糖鎖を質量分析法により分析する方法であって、
（ａ）生体試料から糖鎖を遊離する工程、
（ｂ）遊離させた糖鎖を固相担体に捕捉する工程、
（ｃ）捕捉した糖鎖を再遊離する工程、
（ｄ）再遊離した糖鎖の水酸基をメチル化する工程、および
（ｅ）メチル化した糖鎖を質量分析法により分析する工程、
を含む方法。
請求項１に記載の方法を実施するための、糖鎖の水酸基をメチル化するための試薬を含むキット。