Modeling and applications for isotopic clusters in mass spectrometric data

Abstract

질량 분석법은 펩타이드 서열을 알아내기 위한 가장 확실하고 강력한 분석 기법 중 하나이다. 막대한 양의 질량 분석 데이터를 수작업으로 분석하는 것은 비현실적이기 때문에 자동화된 질량 분석 데이터의 처리 방법 개발이 필수적이다. 본 논문에서는 질량 분석 데이터의 고속 처리에 대하여 연구한다. 첫째, 펩타이드의 동위 원소 분포에 대한 새로운 수학적 모델을 제시하고, 이를 이용하여 동위 원소 집단 및 단동위 원소 질량을 결정하는 알고리즘을 제안한다. 본 모델에서는 동위 원소 분포에서 인접한 두 피크 세기의 비율과, 인접한 세 피크 세기의 비율 곱의 두 가지의 비율을 사용한다. 이 비율들이 펩타이드 질량에 대한 간단한 함수로 근사될 수 있음을 보이고, 이를 이용한 자동화된 알고리즘을 제시한다. 본 논문에서 제안한 방법은 잘 알려진 THRASH 기반의 프로그램들과 비교하여 분석되었다. 우리의 방법은 THRASH보다 많은 알려진 펩타이드의 질량을 찾았으며, 특히 동위 원소 분포가 에버리진(averagine)의 분포로부터 유의미하게 벗어난 펩타이드에 대하여 좋은 결과를 보여주었다. 또 다른 장점은 처리 속도로, 최소 제곱법에 기반한 THRASH보다 월등히 빠른 속도를 보여주었다. 둘째, 안정 동위 원소 라벨링 중 2중 mTRAQ 라벨링 실험에서의 중첩된 동위 원소 집단에 대한 새로운 수학적 모델을 제시하고, 이로부터 펩타이드의 정량 분석을 위한 알고리즘을 제안한다. 새로운 알고리즘은 XPRESS를 대신하여 Trans-Proteomic Pipeline 공정에 쉽게 적용이 가능하다. mTRAQ 라벨링된 펩타이드에 대하여 XPRESS보다 정확한 정량비와 더 나은 표준 편차를 보여주었으며, 특히 리신을 포함하지 않은 펩타이드에 대하여 펩타이드의 질량이 증가할수록 큰 차이를 보여주었다. 마지막으로, 3중 mTRAQ 실험에서의 정량 분석을 위한 새로운 알고리즘을 제시한다. 이는 앞선 2중 mTRAQ 중첩 모델의 확장이다. 또한, 펩타이드의 용리 구간 결정을 위한 자동화된 방법을 제시한다. 일부 펩타이드는 비슷한 질량과 용리 시간으로 인하여 용리 구간이 겹칠 수 있다. 이를 정확하게 알아내어 분리하는 것은 정확한 정량 분석을 위하여 필수적이다. 본 알고리즘은 표준 단백질 혼합물 실험을 이용하여 검증되었다.