质谱数据分析2014
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This allows selection of a particular ion, or scanning by varying the voltages.
Voltage
Filters out all m/z values except the ones it is set to pass
Obtains a mass spectrum by sweeping across the entire mass range
14
Orbitrap 静电轨道阱质谱 傅里叶变换原理
Mass Spectrometry Reviews，Volume 27, Issue 6
蛋白质组学研究的目标
►蛋白质鉴定
▪ Top-down策略（质量纹方法，MS谱图） ▪ Bottom-up策略（de novo测序和数据库检索，MS/MS谱
图）
质量相近的多肽
多肽 DGAPLESSSR REGESTPSR DFPIANGER DPLASSSWR
YVPLKDQR HLQLPAPSR VLFLNGIDK
[M+H+] 1019.0490 1019.0520 1019.0940 1019.0940 1019.1800 1019.1830 1019.2200
Collects and store ions in order to perform MS-MS analyses on them.
Separates the mass analysis and ion isolation events in time (using a single mass analyzer)
Only ions of a certain m/q will reach the detector for a given ratio of voltages: other ions have unstable trajectories and will collide with the rods.
Very sensitive (the minimal quantity for detection is in order of several hundered ions
Non destructive –the ions don’t hit the detection plate so they can be selected for further fragmentation
► Key advantage of proteomics
▪ Researchers work on the level of gene products and deal with genes that are really expressed to give a detectable PRODUCT and are not just "expressed“ which only says they produce a detectable mRNA but it is not clear whether there is a gene product or not.
► Key prerequisite of proteomics
▪ A genome sequence for the investigated organism or at least a collection of many cDNA sequences is required.
From Yogita Mantri & Arvind Gopu’s presentation in 2003
To monitor the ions coming from the source, the trap continuoulsy repeats a cylcle of filling the trap with ions and scanning the ions according to their m/z values.
Ionization
ion transfer/trapping
parent ion isolation/ fragmentation
daughter ion detection
Fourier Transform MS
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FTICMS
蛋白质组学研究的目标
► 蛋白质鉴定 ► 蛋白质特性-如翻译后修饰 ► 蛋白质定量-相对定量、绝对定量 ► 样品间比较
▪ 定性-不同样品间含有的蛋白类型的差异 ▪ 定量-不同样品间含有的蛋白浓度/含量的差异 ▪ 翻译后修饰-不同样品间是否存在不同的翻译后修
饰形式 ► 蛋白质功能
把单个蛋白/多 肽从复杂样品中 分离出来非常困 难，在“组学” 实验中一般达不 到这个效果
Ion Trap Mass Analyzer
Ions in
Trapped ions
Ions out
The trap consists of a top and a bottom electrode and a ring electrode around the middle.
Ions are ejected on the basis of their m/z values.
2. 另一个问题是，ESI产生的质谱图中的离子 通常带有很多电荷，而MALDI质谱图中的离 子一般只带一个电荷，比较容易计算。
Байду номын сангаас 蛋白序列数据库
►质量纹算法的核心是将实验获得的蛋白指纹 与数据库中的蛋白指纹进行匹配，为此，必 须首先找到一个合适的蛋白质序列数据库
►在网上可以查询到最新的蛋白序列数据库， 如NCBI，UniProt, SwissProt等等
► 蛋白质修饰 ► 蛋白质定量-相对定量、绝对定量 ► 样品间比较 ► 蛋白质功能
Top-down proteomics
指纹数据库
一级质谱图
http://www.theravalues.com /prototype/english/services/ pro_pmf.html
多肽质量纹鉴定
►多肽质量纹（Peptide Mass Fingerprinting， PMF）是从一级质谱（MS）中鉴定多肽的主 要方法。
Ionization methods
► Electrospray mass spectrometry (ESI-MS) ▪ Liquid containing analyte is forced through a steel capillary at high voltage to electrostatically disperse analyte. Charge imparted from rapidly evaporating liquid.
All ions are detected simultaneously over some given period of time
ICR can be used with different ionization methods, ESI, MALDI
High resolution
High accuracy
MALDI m/z spectrum of a peptide mixture
The Quadrupole
source
The quadrupole consists of four parallel metal rods. Ions travel down the quadropole in between the rods.
Peak m/z: 1019.08
解决方案
►第一个解决的办法是限制用来搜索的数据库。 比如，你如果做的试验用的是小鼠的组织， 那么你可以只在小鼠的数据库中搜索，这样 就可以减低出现这种情况的可能性。
► Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) ▪ Analyte (protein) is mixed with large excess of matrix (small organic molecule) ▪ Irradiated with short pulse of laser light. Wavelength of laser is the same as absorbance max of matrix.
质量纹
►这就是多肽质量纹（PMF）的最基础的思路。 质量纹算法成立的基础，在于酶切的特异性 以及多肽离子质量的精确测定
►问题？
PMF中的问题
►第一个问题：质量相近的多肽怎么处理？
►在现实的蛋白数据库中，多肽的数量是很庞 大的。这里面难保不会有质量非常相近的多 肽。这样，就造成了质谱图上的一个峰可能 匹配不止一个多肽，于是我们就难以知晓这 张质谱图究竟代表哪个蛋白。
蛋白质组学的数据分析
邵晨
复习
►蛋白质组的定义，蛋白质组学和基因组学的 区别？
►由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所 有蛋白质。蛋白质组的概念与基因组的概念有 许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同 而改变。 在转录时，一个基因可以多种mRNA 形式剪接，一个蛋白质组不是一个基因组的直 接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超 过基因组的数目。
A mass analyzer for determining the mass-to-charge ratio (m/z) of ions based on the cyclotron frequency of the ions in a fixed magnetic field.
Ions are injected into a magnetic field , that causes them to travel in circular paths. Excitation with oscillating electrical field increases the radius and enables a frequency measurement
里的序列的酶切位点。
质量排列
►这样可以产生一系列的多肽，我们可以计算 每个多肽的分子量。
►最后一个R的质量多加了18，这是因为我们写 在下面的是残基的分子量。
肽和肽键
质量排列
►把所有多肽的分子量排序。
质量纹
►如此，质谱图上的质量就可以与多肽上的质 量相匹配。
http://www.absoluteastr onomy.com/topics/Peptid e_mass_fingerprinting
► Key limitation of proteomics
▪ Usually, only a fraction of the proteins synthesized can be detected in a proteomics experiment, whereas the expression of ALL genes can be monitored in a wholegenome array experiment.
►下载FASTA格式
Protein sequence database
Uniprot（包含Swissprot和Tremble）
Integr8
FASTA格式的数据库
►FASTA格式包含蛋白的名称和氨基酸序列。
虚拟酶解
►有了蛋白序列的信息，我们就可以进行鉴定。 ►对应于送进质谱仪的样品，首先找到数据库
►多肽质量纹一般都用于分析2DE-MS的结果， 不适宜分析多个蛋白质的混合物。
多肽质量纹鉴定
► 蛋白质经过酶解后，送入质谱仪，得到一级 质谱，即多肽离子的m/z。
► 从一级质谱鉴定蛋白质的算法主要用在 MALDI-TOF产生的质谱图上。
1. 目前来说，由MALDI-TOF质谱仪产生的质谱 图精度较高。
A short sweep of frequencies is used to excite all ions. The complex spectrum of intensity/time is analyzed with Fourier Transform to extract the m/z componets
Voltage
Filters out all m/z values except the ones it is set to pass
Obtains a mass spectrum by sweeping across the entire mass range
14
Orbitrap 静电轨道阱质谱 傅里叶变换原理
Mass Spectrometry Reviews，Volume 27, Issue 6
蛋白质组学研究的目标
►蛋白质鉴定
▪ Top-down策略（质量纹方法，MS谱图） ▪ Bottom-up策略（de novo测序和数据库检索，MS/MS谱
图）
质量相近的多肽
多肽 DGAPLESSSR REGESTPSR DFPIANGER DPLASSSWR
YVPLKDQR HLQLPAPSR VLFLNGIDK
[M+H+] 1019.0490 1019.0520 1019.0940 1019.0940 1019.1800 1019.1830 1019.2200
Collects and store ions in order to perform MS-MS analyses on them.
Separates the mass analysis and ion isolation events in time (using a single mass analyzer)
Only ions of a certain m/q will reach the detector for a given ratio of voltages: other ions have unstable trajectories and will collide with the rods.
Very sensitive (the minimal quantity for detection is in order of several hundered ions
Non destructive –the ions don’t hit the detection plate so they can be selected for further fragmentation
► Key advantage of proteomics
▪ Researchers work on the level of gene products and deal with genes that are really expressed to give a detectable PRODUCT and are not just "expressed“ which only says they produce a detectable mRNA but it is not clear whether there is a gene product or not.
► Key prerequisite of proteomics
▪ A genome sequence for the investigated organism or at least a collection of many cDNA sequences is required.
From Yogita Mantri & Arvind Gopu’s presentation in 2003
To monitor the ions coming from the source, the trap continuoulsy repeats a cylcle of filling the trap with ions and scanning the ions according to their m/z values.
Ionization
ion transfer/trapping
parent ion isolation/ fragmentation
daughter ion detection
Fourier Transform MS
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FTICMS
蛋白质组学研究的目标
► 蛋白质鉴定 ► 蛋白质特性-如翻译后修饰 ► 蛋白质定量-相对定量、绝对定量 ► 样品间比较
▪ 定性-不同样品间含有的蛋白类型的差异 ▪ 定量-不同样品间含有的蛋白浓度/含量的差异 ▪ 翻译后修饰-不同样品间是否存在不同的翻译后修
饰形式 ► 蛋白质功能
把单个蛋白/多 肽从复杂样品中 分离出来非常困 难，在“组学” 实验中一般达不 到这个效果
Ion Trap Mass Analyzer
Ions in
Trapped ions
Ions out
The trap consists of a top and a bottom electrode and a ring electrode around the middle.
Ions are ejected on the basis of their m/z values.
2. 另一个问题是，ESI产生的质谱图中的离子 通常带有很多电荷，而MALDI质谱图中的离 子一般只带一个电荷，比较容易计算。
Байду номын сангаас 蛋白序列数据库
►质量纹算法的核心是将实验获得的蛋白指纹 与数据库中的蛋白指纹进行匹配，为此，必 须首先找到一个合适的蛋白质序列数据库
►在网上可以查询到最新的蛋白序列数据库， 如NCBI，UniProt, SwissProt等等
► 蛋白质修饰 ► 蛋白质定量-相对定量、绝对定量 ► 样品间比较 ► 蛋白质功能
Top-down proteomics
指纹数据库
一级质谱图
http://www.theravalues.com /prototype/english/services/ pro_pmf.html
多肽质量纹鉴定
►多肽质量纹（Peptide Mass Fingerprinting， PMF）是从一级质谱（MS）中鉴定多肽的主 要方法。
Ionization methods
► Electrospray mass spectrometry (ESI-MS) ▪ Liquid containing analyte is forced through a steel capillary at high voltage to electrostatically disperse analyte. Charge imparted from rapidly evaporating liquid.
All ions are detected simultaneously over some given period of time
ICR can be used with different ionization methods, ESI, MALDI
High resolution
High accuracy
MALDI m/z spectrum of a peptide mixture
The Quadrupole
source
The quadrupole consists of four parallel metal rods. Ions travel down the quadropole in between the rods.
Peak m/z: 1019.08
解决方案
►第一个解决的办法是限制用来搜索的数据库。 比如，你如果做的试验用的是小鼠的组织， 那么你可以只在小鼠的数据库中搜索，这样 就可以减低出现这种情况的可能性。
► Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) ▪ Analyte (protein) is mixed with large excess of matrix (small organic molecule) ▪ Irradiated with short pulse of laser light. Wavelength of laser is the same as absorbance max of matrix.
质量纹
►这就是多肽质量纹（PMF）的最基础的思路。 质量纹算法成立的基础，在于酶切的特异性 以及多肽离子质量的精确测定
►问题？
PMF中的问题
►第一个问题：质量相近的多肽怎么处理？
►在现实的蛋白数据库中，多肽的数量是很庞 大的。这里面难保不会有质量非常相近的多 肽。这样，就造成了质谱图上的一个峰可能 匹配不止一个多肽，于是我们就难以知晓这 张质谱图究竟代表哪个蛋白。
蛋白质组学的数据分析
邵晨
复习
►蛋白质组的定义，蛋白质组学和基因组学的 区别？
►由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所 有蛋白质。蛋白质组的概念与基因组的概念有 许多差别，它随着组织、甚至环境状态的不同 而改变。 在转录时，一个基因可以多种mRNA 形式剪接，一个蛋白质组不是一个基因组的直 接产物，蛋白质组中蛋白质的数目有时可以超 过基因组的数目。
A mass analyzer for determining the mass-to-charge ratio (m/z) of ions based on the cyclotron frequency of the ions in a fixed magnetic field.
Ions are injected into a magnetic field , that causes them to travel in circular paths. Excitation with oscillating electrical field increases the radius and enables a frequency measurement
里的序列的酶切位点。
质量排列
►这样可以产生一系列的多肽，我们可以计算 每个多肽的分子量。
►最后一个R的质量多加了18，这是因为我们写 在下面的是残基的分子量。
肽和肽键
质量排列
►把所有多肽的分子量排序。
质量纹
►如此，质谱图上的质量就可以与多肽上的质 量相匹配。
http://www.absoluteastr onomy.com/topics/Peptid e_mass_fingerprinting
► Key limitation of proteomics
▪ Usually, only a fraction of the proteins synthesized can be detected in a proteomics experiment, whereas the expression of ALL genes can be monitored in a wholegenome array experiment.
►下载FASTA格式
Protein sequence database
Uniprot（包含Swissprot和Tremble）
Integr8
FASTA格式的数据库
►FASTA格式包含蛋白的名称和氨基酸序列。
虚拟酶解
►有了蛋白序列的信息，我们就可以进行鉴定。 ►对应于送进质谱仪的样品，首先找到数据库
►多肽质量纹一般都用于分析2DE-MS的结果， 不适宜分析多个蛋白质的混合物。
多肽质量纹鉴定
► 蛋白质经过酶解后，送入质谱仪，得到一级 质谱，即多肽离子的m/z。
► 从一级质谱鉴定蛋白质的算法主要用在 MALDI-TOF产生的质谱图上。
1. 目前来说，由MALDI-TOF质谱仪产生的质谱 图精度较高。
A short sweep of frequencies is used to excite all ions. The complex spectrum of intensity/time is analyzed with Fourier Transform to extract the m/z componets