JP5227026B2 - 定性的なおよび定量的な質量スペクトル分析 - Google Patents
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Description
本願は、2003年10月20日出願の米国特許出願第10/689313号およびそれからの優先権を主張し、選択国として米国を指定した2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号に関連し、すべてが2003年4月28日出願された米国仮出願第60/466010号、米国仮出願第60/466011号、および米国仮出願第60/466012号ならびに両方が2004年4月28日に出願され、選択国として米国を指定した国際出願第PCT/US2004/013096号および国際出願第PCT/US2004/013097号に関連する。
これらの特許出願の教示全体が、参照によってその全体を本明細書に組み込まれている。
1.複数の観察可能な同位体および使用可能なプロフィール・モード質量スペクトル・データを利用することによる、代謝産物同定からペプチド同定またはタンパク質同定までの応用分野を有する分子式決定のための新しい検索アルゴリズム。
2.用いられるイオンを同定し、定量化するための、オーバーラップした同位体またはクラスタの逆畳込みでのこの検索アルゴリズムの使用。
3.自然に産出するラベル付けされた同位体および使用可能なプロフィール・モード質量スペクトル・データの知識を組み込むことによる質量分析計の使用を介する、同位体にラベル付けする実験でのすべての関連する成分の偏りがなく正確な定量化のための新規のアルゴリズム。
未知のイオンおよびその元素組成の非常に選択的な同定を可能にする。これは、薬、その代謝産物、分解生成物、不純物、ペプチド、タンパク質、および他の分子の同定に特に有用である。
−PAGEとして知られている。
るデータ収集部分32が含まれる。このディジタル・データは、リアル・タイム・データ処理部分34に供給され、リアル・タイム・データ処理部分34は、合計および/または平均などの演算を介してディジタル・データを処理する。後処理部分36は、ライブラリ検索、データ保管、およびデータ報告を含む、リアル・タイム・データ処理部分34からのデータの追加処理を行うのに使用することができる。
非常に正確なイオン質量測定を用いる質量分析法は、元素組成または分子式を決定するすばやく独自の形を提供し、この元素組成または分子式の決定は、未知の代謝産物同定から、DNAまたはタンパク質の同定またはシーケンシング、分解生成物同定または不純物同定までの範囲の、測定中のイオンに関する深い洞察を提供することができる。
よって、検索が、前に同定されまたは仮定された既知のタンパク質またはペプチドの集合に自動的に制約される。
1.質量分析計が、高分解能であり、通常は、4倍飛行時間(qTOF)型システムまたはFTMSであり、高い質量精度を達成するためおよび複合同定を容易にするために、イオンのモノアイソトピック・ピークをそのイオンの他の同位体からベースライン分解(baseline−resolve)することを可能にする。
2.飽和または非線形性なしのモノアイソトピック・ピークの測定での高い信号対雑音。
3.モノアイソトピック・ピークが、純粋であり、干渉するイオンまたは同重体干渉が全くない。
4.検索される分子が、一般に、1000Da未満の分子量を有する小分子でであり、純粋な同位体ピークだけが、通常は最も豊富なピークであるモノアイソトピック・ピークである。
5.信頼性のある質量決定のための特定の電圧の手による調整さえ用いる機器の広範囲の調整の後で使用可能な、十分に対称のピーク形状。
6.質量決定のための信頼性があり偏りのないアルゴリズム。
ック質量を有するその分子イオンC289H446N84O109S6 +は、モノアイソトピック・ピークがもはや最も豊富でなくなると同時に、その分子イオンの他の同位体ピークが多数の他の同位体からの寄与に伴ってますます複雑になるのに十分に大きい。図3Aに、スティック・スペクトルとしての1000個の最も豊富な同位体を示し、図3Bに、最も豊富なM+3クラスタのズーム・インされた版を示す。121016という高い解像力においてさえ、図3Cに示されたM+3クラスタのシミュレートされたスペクトルは、このクラスタに寄与する多数の同位体のうちのほんの少数を明らかにし、従来の分子式検索に悪影響を及ぼす可能性があるピーク選択またはセントロイディングの曖昧さをもたらす。やはり、図3Cのプロフィール・データは、十分に分解されてはいないが、この分子のM+3クラスタに関するすべての関連する情報を含み、この分子の検索が基づくことのできる独自のシグネチャを提供する。
おける相違に起因する非常に異なるスペクトル・パターンを有する、2つのイオンの質量スペクトルを示す。
1.非常に似たモノアイソトピック質量の多数の候補分子の間で区別するために、追加情報として各分子について入手可能な同位体パターンを利用する。
2.分子式検索の唯一の手段としてピーク選択およびセントロイディングを使用することを避け、したがって、誤差が発生しランダム雑音が増幅される可能性があるデータ処理の余分なステップを避ける。
3.2003年10月20日出願の米国特許出願第10/689313号およびそれからの優先権を主張し、選択国として米国を指定した2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号で開示された包括的で全体的な質量スペクトル較正の使用による連続プロフィール・データを介する分子式検索またはライブラリ検索を可能にする。この包括的な質量スペクトル較正は、質量ならびにピーク形状関数の非常に正確なマッチを可能にする。
5.高分解能システムでは、分子式検索またはライブラリ検索を、今や、ペプチドまたはタンパク質などの大きい分子について非常に弱いか観察不能でさえある場合があるモノアイソトープ・ピークを同定せずに実行することができる。さらに、分子式検索またはライブラリ検索を、多数の個々の同位体を物理的に分離せずに、これらの同位体を含む可能性がある同位元素クラスタの任意のセクションを使用して実行することもできる。特に他のクラスタが悪い信号対雑音、非線形性、または干渉からの大きいオーバーラップを有する時に、単一の同位元素クラスタ、たとえば図3CからのM+3クラスタを、分子式検索またはライブラリ検索に使用することさえ、可能である場合がある。
2.外部較正または機器較正の一部として、収集された生質量スペクトル・データに、以前に展開された総較正フィルタリング行列を適用して、すべての質量軸誤差について補正し、質量スペクトル・ピーク形状関数を既知のピーク形状関数に、好ましくは数学的に定義可能な対称関数に変換する。図6Bに、外部較正後の図6Aの同一のセクションを示す。このステップは、図5の流れ図では510Bとして示されており、ここで、図5の510Aからの較正が適用される。
ピーク形状関数だけが、別々にまたは生プロフィール・モード質量スペクトル・データの収集中(図5の510A)のいずれかで包括的較正なしに決定される場合には、ステップ2とこのステップとの両方を場合により迂回し、すべての後続データ処理を、較正されたプロフィール・モード・データではなく生プロフィール・モード・データに適用することができる。
の式6および2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号のページ35の式6)が、ここで、収集された生同位体プロフィールまたは較正された同位体プロフィール(たとえば、図6C)と各ピーク成分行列との間で、重みとしてピーク強度変動wの逆数を使用して実行される(米国特許出願第10/689313号のページ34および2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号のページ35)。フィッティング・エラー(二乗平均平方根誤差すなわちRMSE)、t−値、相関係数、またはF−スタティクスなどの他の統計が、各回帰から計算される(米国特許出願第10/689313号のページ35および39ならびに2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号のページ36および39)。このステップは、図5では510Jとして示されている。
定量化または代謝研究用の同位体トレーシング用のICAT(商標)またはiTRAQ(商標)(両方が、米国カリフォルニア州フォスタ・シティのApplied Biosystems社によって販売されている)などの同位体ラベル付けを用いる質量スペクトル実験では、通常、ラベル付けされたイオンもしくはフラグメントとラベル付けされていないイオンもしくはフラグメントとの間または異なってラベル付けされもしくはタグ付けされたイオンもしくはフラグメントの間に、オーバーラップする同位体パターンがある。良い例が、iTRAQ(商標)で使用されるisobaric tagであり(国際出願第WO2004/070352A2号)、この場合に、異なる試料からの消化されたペプチドに、異なるreporter tag(114.1、115.1、116.1、または117.1という質量を有する)を用いてラベル付けすることができ、このreporter tagは、31、30、29、または28という対応するbalance tagに付加され、組み合わされたタグが、同一の公称質量を有するようになり、異なる試料からのペプチドに同一の追加される質量を用いて異なってタグ付けすることが可能になる。異なる試料が混合され、組み合わされ、質量スペクトル分析の前にクロマトグラフィを介して分離される時に、異なる試料からの同一のペプチドは、同一の組み合わされた質量
のタグを用いてタグ付けされ、異なるタグのペプチドに、MS分析において同一のみかけ質量が与えられ、ここで、1つのMS/MSが、MS/MSフラグメンテーション中に異なってタグ付けされたペプチド・イオンをreporter tag、balance tag、ペプチド、およびそのフラグメントにばらばらにするために実行される。各reporter tagは、今や、114.1、115.1、116.1、または117.1という異なる質量を有するはずであり、そのそれぞれの信号強度は、混合および組合せの前の特定の試料内のこのペプチドの量に対応する。
experiment)では、MS/MS分析で4つの質量で4つすべてのreporterを観察することが期待され、これらのreporterの相対強度は、4つの試料のそれぞれに含まれるペプチドの相対的量を示すはずである。これらのタグは、互いから1質量単位だけ離れているので、その同位体パターンは、特にABI/Sciex QTRAPなどのより低い分解能のシステムで、オーバーラップするはずである。
1.すべてのラベル付けされたイオンおよびラベル付けされていないイオンならびにその同位体を含む、ある質量スペクトル範囲内の生プロフィール・モード・データを収集する。このステップは、図12では、1210として示されている。
2.適用可能な場合に、2003年10月20日出願の米国特許出願第10/689313号および2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号と、2004年10月28日出願の米国仮出願第60/623114号に基づく本願と同一の日付に出願された米国特許出願(弁理士整理番号第CE−005US(PAR)号)とに開示された包括的較正を使用して、機器較正を展開し、かつ/またはフルMSもしくはMS/MSなどのMS動作のモードに適切なピーク形状関数を入手する。このステップは、図12では1210Aとして示されている。
5.機器較正中に指定された目標ピーク形状関数または実際のピーク形状関数を用いて理論的同位元素分布を畳み込んで、選択されたすべてのイオンの理論的同位体プロフィールを入手する。このステップも、図12では1210Cとして示されている。
7.較正されたプロフィール・モード・データまたは生プロフィール・モード・データとピーク成分行列Pとの間で加重多重線形回帰(WMLR、米国特許出願第10/689313号のページ34の式6および2004年10月20日出願の国際出願第PCT/US2004/034618号のページ35の式6)を実行する。このステップは、図12では1210Eとして示されている。
ク成分行列に含めるためのより多くの成分の追加(図12の1210H)に進む場合がある。
Claims (41)
- 質量スペクトル・ピークにまたがる複数の点を含む質量スペクトル・データをプロフィール・モードで収集することと、
ピーク質量位置又はピーク質量位置および積分されたピーク面積を含むピーク・リストを生成すること(前記リストは、存在する可能性がある候補イオンを表す)と、
候補イオンのそれぞれについて理論的質量スペクトル同位体プロフィールを計算することと、
同定された候補イオンのそれぞれについて、ベースライン成分として線形関数または非線形関数および唯一のピーク成分として理論的同位体プロフィールを含めることにより形成されるピーク成分行列を形成することと、
候補イオンのそれぞれのピーク成分行列および前記質量スペクトルデータを用いて回帰分析を実行してフィッティング統計を計算することと、
最も有意なフィッティング統計に対応するイオンが存在する最もありそうな候補イオンであることに関する前記フィッティング統計を用いて候補イオンをランキングすることとを含む、質量分析計からのデータを分析する方法。 - フィッティング・エラーが所定の量より有意に大きい場合に、候補イオンを既存のピーク成分行列に追加することと、増補されたピーク成分行列および収集された前記質量スペクトルデータを用いてさらなる回帰分析を実行することとをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 分子または成分が統計的に有意でないと思われる場合に、候補イオンまたは成分を除去することと、減らされたピーク成分行列および収集された前記質量スペクトルデータを用いてさらなる回帰分析を実行することとをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 収集された質量スペクトルデータに対して、少なくとも1つの内部較正標準を使用する新しい較正を実行することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 収集された前記質量スペクトルデータに対して外部較正を実行することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 外部較正および内部較正されたデータを入手するために、該外部較正されたデータに内部較正を適用することをさらに含む請求項5に記載の方法。
- 質量スペクトルデータは、回帰分析の前に既知のピーク形状関数を有するよう較正される請求項1に記載の方法。
- 回帰分析は、収集された質量スペクトルデータを用いて実行される請求項1に記載の方法。
- 回帰分析は、収集された質量スペクトルデータを較正した後に実行される請求項1に記載の方法。
- 質量軸誤差について補正するためおよび前記データを既知のピーク形状関数を有するよう変換するために、質量スペクトル・データに較正を適用することと、
ピーク成分行列に含めるための理論的同位体プロフィールを作成するために、既知のピーク形状関数を使用することと
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 較正処理の一部としてピーク形状関数を計算することと、
ピーク成分行列に含めるための理論的同位体プロフィールを作成するために、計算されたピーク形状関数を使用することと
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 候補イオンは、所与のライブラリおよび元素組成検索のうちの少なくとも1つでの検索を介して選択される請求項1に記載の方法。
- 収集されたまたは較正された質量スペクトルデータの一次導関数をピーク成分行列に追加することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 悪い信号対雑音、非線形性、および干渉のうちの1つに起因する、分析に関する収集された前記質量スペクトルデータのあるセクションの除外をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 回帰は、重みとしてピーク強度変動の逆数を使用して、収集されたまたは較正された質量スペクトルデータと各ピーク成分行列との間で実行される請求項1に記載の方法。
- 同定された候補イオンのそれぞれについて理論的質量スペクトル同位体プロフィールを計算することは、ピーク形状関数を用いて理論的同位元素分布を畳み込むことを含む請求項1に記載の方法。
- ピーク成分行列を形成することは、可能なベースライン成分として任意の線形関数または非線形関数を含めることを含む請求項1に記載の方法。
- ピーク成分行列を形成することは、任意の既に同定されたイオンの理論的同位体プロフィールをピーク成分行列に含めることを含む請求項1に記載の方法。
- フィッティング統計は、t−値、p−値、F−スタティクス、相関係数、および残差のうちの1つとして計算される請求項1に記載の方法。
- 質量スペクトル範囲内で、生来のイオンおよびラベル付けされたイオンのうちの少なくとも1つをその同位体と共に含むプロフィール・モード・データを収集することと、
生来のイオンおよびラベル付けされたイオンのうちの少なくとも1つを含む注目のすべてのイオンの理論的同位元素分布をその分子組成に基づいて計算することと、
すべてのイオンの理論的同位体プロフィールを入手するために、機器較正中に指定されたピーク形状関数を用いて理論的同位元素分布を畳み込むことと、
ピーク成分として計算されたすべての理論的同位体プロフィールのピーク成分行列を構成することと、
収集されたプロフィール・モード・データおよびピーク成分行列を用いて回帰分析を実行することと、
イオンのそれぞれの相対濃度として回帰の回帰係数を報告することと
を含む、質量分析計からのデータを分析する方法。 - ピーク成分行列は、線形関数または非線形関数としてベースライン成分を含む請求項20に記載の方法。
- ベースライン成分の回帰係数を報告することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 回帰の統計を報告することをさらに含み、該統計は、t−値、p−値、F−スタティクス、相関係数、およびフィッティング残差またはフィッティング・エラーのうちの少なくとも1つを含む請求項20に記載の方法。
- 候補イオンまたは他の成分の理論的同位体プロフィールを追加することと、
フィッティング残差またはフィッティング・エラーが所定の量よりかなり大きい場合に、収集されたプロフィール・モード・データおよび増補されたピーク成分行列を用いるさらなる回帰分析を実行することと
をさらに含む請求項20に記載の方法。 - 分子または成分が統計的に有意でないと思われる場合に、候補イオンまたは成分を除去することと、収集されたプロフィール・モード・データおよび減らされたピーク成分行列を用いてさらなる回帰分析を実行することとをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 回帰分析の前に収集されたプロフィール・モード・データを変換するために、少なくとも1つの内部較正標準を使用する較正を実行することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 少なくとも1つの外部的におよび内部的に較正されたデータを入手し、これによって回帰分析の前に収集されたプロフィール・モード・データを変換するために、収集されたプロフィール・モード・データおよび較正されたプロフィール・モード・データのうちの少なくとも1つに対して内部較正および外部較正のうちの少なくとも1つを適用することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- ピーク形状関数は、内部較正および外部較正のうちの少なくとも1つを介して、既知のピーク形状関数に変換される請求項20に記載の方法。
- 回帰分析は、収集された前記プロフィール・モード・データを用いて実行される請求項20に記載の方法。
- 回帰分析は、収集されたプロフィール・モード・データを較正した後に実行される請求項20に記載の方法。
- 質量軸誤差について補正するためおよび前記データを既知のピーク形状関数を有するよう変換するために、収集されたプロフィール・モード・データに較正を適用することと、
ピーク成分行列に含めるための理論的同位体プロフィールを作成するために、既知のピーク形状関数を使用することと
をさらに含む請求項20に記載の方法。 - 較正は、外部較正、機器較正、および内部較正のうちの少なくとも1つとして展開される請求項31に記載の方法。
- 較正処理の一部としてピーク形状関数を計算することと、
ピーク成分行列に含めるための理論的同位体プロフィールを作成するために、前記計算されたピーク形状関数を使用することと
をさらに含む請求項20に記載の方法。 - 収集されたプロフィール・モード・データまたは較正されたプロフィール・モード・データの一次導関数をピーク成分行列に追加することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 回帰分析は、重みとしてピーク強度変動の逆数を使用して、収集された前記プロフィール・モード・データとピーク成分行列との間で実行される請求項20に記載の方法。
- 含まれるイオンのそれぞれについて理論的質量スペクトル同位元素分布を計算することは、ピーク形状関数を用いて理論的同位元素分布を畳み込むことを含む請求項20に記載の方法。
- ピーク成分行列を形成することは、任意の既に同定されたバックグラウンド・イオンの理論的同位体プロフィールをピーク成分行列に含めることを含む請求項20に記載の方法。
- イオンは、その同位体と共に、質量スペクトル範囲内で互いにオーバーラップされている請求項20に記載の方法。
- ピーク成分行列の形成および回帰分析の前に、収集されたまたは較正されたプロフィール・モード・データと理論的同位体プロフィールとの両方に対してピーク分析またはセントロイディング工程を実行することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 請求項1〜39のいずれか1項に従って操作される質量分析計システム。
- 質量分析計システムに請求項1〜39のいずれか1項のうちの少なくとも1つの方法に従って実行させる、コンピュータによって読取可能なコンピュータ可読プログラム命令を有するコンピュータ可読媒体。
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