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SRM Vs HR-MS quantitative proteomics: matrix effect and LOQ in serum

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Academic year: 2021

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(1)

SRM vs HR-MS quantitative proteomics: matrix

effect and LOQ in serum

Dominique Baiwir

1,2

, Gabriel Mazzucchelli

1

, Nicolas Smargiasso

1

and Edwin De Pauw

1

1

Laboratory of Mass Spectrometry, GIGA-R, chemistry department, CART, University of Liège,

2

Proteomic Facility, GIGA, University of Liège

Overview  

Introduc/on  

Methods  

Conclusions  

Acknowledgements  

-­‐  2D  clean-­‐up  kit  (GE)  was  applied  according  to  the  manufacturer  

recommenda<ons  for  protein  precipita<on    

-­‐  Protein  diges<on  was  performed  using  trypsin,  a@er  reduc<on  and  alkyla<on   -­‐  Samples  were  dried  under  vacuum  

-­‐  Samples  were  recons<tuted  in  water  0.1%  formic  acid  (v/v)  and  spiked  with  the  4  exogenous  proteins  

digest  mix  (MassPrep  Diges<on  Standard  Mix2,  Waters):  Bovine  Serum  Albumine  (BSA,  P02769),  Glycogen   Phosphorylase  B  from  rabbit  (GPB,  P00489),  Enolase  1  (ENO,  P00924)  and  Alcohol  Deshydrogenase  from  

Saccharomyces  cerevisiae  (ADH,  P00330)    

-­‐  Samples  were  spliXed  in  2  and  stored  at  -­‐20°C  un<l  injec<on  

-­‐  Each  samples  was  injected  on  triple  quadrupole  (TQ)  and  High  Resolu<on  –  Mass  Spectrometry  (HR-­‐MS)   instruments  

Mass  spectrometry:  

Results  

UPLC:      

Acquity  I-­‐Class  (Waters):  HSS  T3  2.1*150  mm,  1.7  µm   -­‐  Column  temperature:  40°C,  Flow  rate:  0.250  mL/min  

-­‐  43  min  linear  gradient  from  0%  to  35%  ACN  0.1%  formic  acid  (v/v)  (total  run  <me:  60min)   -­‐  Volume  of  injec<on:  9  µL  

Experimental  scheme  

Comparison  of  SRM  (Xevo  TQ-­‐S),  t-­‐MS²  and  t-­‐SIM  (Q  Exac/ve)  

2-­‐D  clean-­‐up    kit  

 

Trypsin  diges<on  

Spike  of  

4  proteins  digest  

Triple  quadrupole  

(SRM)  

HR-­‐MS  

t-­‐MS²  /  t-­‐SIM  

HR-­‐MS  

t-­‐MS²:  

Obvious  choice  of  the  right  

peak  

HR-­‐MS  spectra  (t-­‐MS²)  for  VNQIGTLSESIK  with  42  µg  matrix    

 

Serum  is  one  of  the  gold   standards  matrix  for   diagnosis  or  prognosis  

purposes  

Most  of  proteins  that  are   indicators  of  disease   state  or  progression  lies  

in  the  low  serum   concentra<on  range    

Serum  is  very  complex  due  to  :  

•   Large  protein  concentra<on  dynamic  range  

•   High  number  of  different  proteins  present  

depending  on  the  physiological  state   →  Matrix  effects  ?      LOD  /  LOQ  ?  

GOAL  OF  THIS  STUDY:  

compare  triple  quadripole   versus  HR-­‐MS  technologies  

-­‐  matrix  effects  

-­‐  LOQ   HR-­‐MS  (Orbitrap):  

Q  Exac<ve  (Thermo)  

 

Comparison  of  results   obtained    with  the  2  

insruments         Triple  quadrupole:     Xevo  TQ-­‐S  (Waters)  

SRM  

•  Interference  on   transi<on  644.9>834.5:   (M+2H)2+  >  y8+   •  Chromatogram   42µg  of  matrix   •  Area  increases  

when  amount  of   matrix  increases  

•  Not  suitable  for  

quan<fica<on  

•  2  other  transi<ons  are  

rather  constant  when   matrix  amount  is  

increased  

•  Suitable  for  

quan<fica<on  

• 

In  triple  quadrupole,  matrix  interferences  are  observed  on  several  transi/ons  (  predicted  as  the  most  intense)  

• 

Transi/ons  dependent,  not  predictable  

• 

t-­‐MS²  with  HR-­‐MS  is  the  less  sens//ve  to  the  matrix  effect  of  serum  

• 

All  pep/des  are  detected  with  equivalent  area  whatever  the  matrix  amount  

• 

Use  of  HR-­‐MS  in  t-­‐MS²  mode  for  transi/ons  selec/on  for  triple  quadrupole  

• 

Most  intense  fragments  are  for  the  majority    (~66%)  the  highest  ones  obtained  using  Xevo  TQ-­‐S  

•  Targeted  MS²  allows  to  easily  iden<fy  the  chromatographic  peak  corresponding  to  the   target  pep<de  

•  Provides  also  informa<on  on  interfering  compounds  

•  It  allows  to  easily  select  the  most  intense  fragments  and  to  check  for  matrix   interference  

The  F.N.R.S.,  European  Union  (FEDER)  and  Walloon  Region  contributed  to  the  contributed  the  mass   spectrometry  laboratory  and  the  GIGA  Proteomics  Facility    fundings.    

Q  Exac<ve  (Thermo):    

-­‐   Targeted  MS²:  resolu<on:  35000,  AGC  target:  5  105,  max  accu  <me  :  125  ms,  isola<on  window:  

3  m/z,  isola<on  offset:  0.5  m/z.  

-­‐   Targeted  SIM:  resolu<on:  140000,  AGC  target:  2  105,  max  accu  <me:    125  ms,  isola<on  window:  

3  m/z,  isola<on  offset:  0.5  m/z,  MSX  count  (mul<plex):  4.   Xevo  TQ-­‐S  (Waters):  Selected  Rea<on  Monitoring  (SRM)    

-­‐   Source  parameters:  capillary  2.0  kV,  cone  35  V,  source  offset:  50  V,  Desolvata<on  gas  flow:  1000  L/h   -­‐   LM  1  /  2  Resolu<on:  2.8  /  2.8,  HM  1  /  2  Resolu<on:  14.9  /  14.8  

-­‐   3  transi<ons  (y  ions)  per  pep<de  

-­‐   3    <me  windows  with  24,  15  and  24  transi<ons  :  auto-­‐dwell  <me    (12  points  per  peak  ,  FWHH  of    8  s)  

Selected  pep/des  

Pep<des  were  selected  according  the  following  criteria:   -­‐  Already  observed  in  discovery  method  using  MPDS  

Mix  

-­‐  Absence  of  the  pep<de  sequence  in  human   proteome  (BLAST)  

-­‐  Not  possible  for  GPB  pep<des   -­‐  Length  between  4  and  40  amino  acids  

-­‐  No  cysteine,  no  methionine  in  pep<de  sequence   -­‐  No  poten<al  glycosyla<on  site  (NXT,  NXS)  

-­‐  No  miss  cleavage  (no  RP/KP  for  cleavage  site  to  avoid   par<al  diges<on)  

Pep<de  VNQIGTLSESIK  of  Enolase  (465  fmoles  –  22  ng)  

     SRM

                   

 

             

t-­‐MS²                

 

 

   

 

               t-­‐SIM            

RT:20.65 - 24.69 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la tive A b u n d a n ce RT: 22.37 21.20 22.77 20.72 20.80 20.96 21.45 21.91 22.16 23.71 23.68 23.96 23.29 24.4424.55 23.06 24.07 NL: 4.61E6 TIC F: FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] MS 140528-70ug-360fmol-tMS2-01 Interfering  pep<de  

140528-70ug-360fmol-tMS2-01 #2074-2125RT:21.13-21.25AV:6NL:2.09E5

F:FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 m/z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R el at ive A bu nd an ce 603.86 456.26 337.15 618.86 833.45 670.39 147.11 555.33 872.54 238.12 408.22 246.18 129.10 183.11 546.82 932.52 359.26 771.50 878.46 488.31 682.32 1000.60 1109.66 595.35 815.44 300.15 1128.69 1288.27

140528-70ug-360fmol-tMS2-01 #2470-2544RT:22.31-22.51AV:13NL:7.45E4

F:FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 m/z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la tive A b u n d a n ce 834.46 342.18 101.07 644.36 214.12 947.54 120.08 243.11 563.30 393.21 529.30 147.11 676.39 197.09 325.15 456.26 777.43816.45 1075.60 476.27 260.20 356.19 626.35 909.47 852.45 1140.55 996.50 688.35 1183.58 1261.79 Expected  pep<de   140528-70ug-360fmol-tMS2-01 #2602-2679RT:22.70-22.91AV:11NL:5.81E5

F:FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 m/z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la tive A b u n d a n ce 644.37 175.12 243.13 357.18402.25 627.34 158.09 442.26 514.26 722.38 833.42 915.46 1006.53 691.34 1063.34 1176.41 1318.68 793.78

Single  charged  interference  

0.6µg  matrix   42µg  matrix   min 21.50 22.00 22.50 23.00 23.50 24.00 24.50 25.00 25.50 % 0 100 F1:MRM of 24 channels,ES+ 644.9 > 676.4 140430-MS_70ug_360fmolesADH Smooth(Mn,1x2)

Matrix effect analysis - 70 ug Serum - 360 fmoles ADH MPDSMIX2

1.105e+005 ENO - VNQIGTLSESIK 22.60 9557.75 23.95 min % 0 100 F1:MRM of 24 channels,ES+ 644.9 > 777.4 140430-MS_70ug_360fmolesADH Smooth(Mn,1x2)

Matrix effect analysis - 70 ug Serum - 360 fmoles ADH MPDSMIX2

3.916e+004 ENO - VNQIGTLSESIK 22.60 3391.95 min % 0 100 F1:MRM of 24 channels,ES+ 644.9 > 834.5 140430-MS_70ug_360fmolesADH Smooth(Mn,1x2)

Matrix effect analysis - 70 ug Serum - 360 fmoles ADH MPDSMIX2

4.971e+005 ENO - VNQIGTLSESIK 22.60 42366.17 21.11 21.33 RT:20.65 - 24.69 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R el at ive A bu nd an ce 22.37 20.8220.89 21.01 21.16 21.25 21.4121.49 21.64 23.96 21.76 21.8722.06 23.06 22.85 22.62 NL: 2.39E5 m/z= 834.40-834.51 F: FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] MS 140528-70ug-360fmol-tMS2-01 RT:20.65 - 24.69 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce 22.37 23.95 23.97 22.48 NL: 3.24E4 m/z= 675.90-676.89 F: FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] MS 140528-70ug-360fmol-tMS2-01

LOD  of  SRM  (Xevo  TQ-­‐S)  and  t-­‐MS²  (Q  Exac/ve)

 

Pep<de    of  BSA  (58  fmoles  –  4  ng)  

   SRM

 

t-­‐MS²  

•  In  SRM  

•  the  3rd  transi<on  (y7)  is  not   detected  

•  Ion  ra<o  (y5/y6)  is  OK  in  all  

samples  except  2  (60  µg  and  90   µg  matrix)  

•  In  targeted  MS²  

•  Detec<on  in  all  samples  except   2(        )  (60  µg  and  100  µg  matrix)   •  Ion  ra<o  not  constant  through  

samples  series  

~  50  fmoles:  LOQ  in  SRM,  LOD  in  t-­‐MS²  

RT:20.90 - 24.70 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce 22.40 22.43 22.38 22.47 22.48 22.36 22.51 24.66 21.2821.31 22.8222.85 23.10 23.99 21.23 21.81 22.33 24.04 20.99 21.65 21.9222.13 22.77 23.1423.35 23.7423.97 24.2724.59 NL: 1.18E6 m/z= 643.86-646.86 MS 140528-1ug- 360fmol-tSIM-01 RT:20.62 - 24.52 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce 21.22 21.18 22.76 22.36 21.24 22.39 22.78 22.74 22.41 20.67 21.27 20.79 21.15 22.81 20.93 21.30 22.43 22.45 21.3421.54 22.33 22.83 21.56 21.7822.1522.18 22.4922.72 22.8522.87 23.68 23.7023.9523.97 23.65 24.00 24.09 24.45 22.52 22.9023.07 23.29 23.33 23.74 NL: 2.14E6 m/z= 643.86-646.86 MS 140528- 70ug- 360fmol-tSIM-01 0.6µg  matrix   42µg  matrix   RT:20.65 - 24.69 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce RT: 22.37 21.20 22.77 20.72 20.80 20.96 21.45 21.91 22.16 23.71 23.68 23.96 23.29 24.4424.55 23.06 24.07 NL: 4.61E6 TIC F: FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] MS 140528-70ug-360fmol-tMS2-01 RT:20.65 - 24.65 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce RT: 22.50 20.8420.94 21.34 21.6621.78 22.10 22.91 23.1623.25 23.56 24.0424.07 24.37 24.50 NL: 2.47E6 TIC F: FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] MS 140528-1ug-360fmol-tMS2-01 0.6µg  matrix   42µg  matrix  

All  the  selected  pep/des  give  the  same  conclusion  (except  for  SIM,  for  which  results  are  very  variable):  matrix  effect  is  very  dependent  of  the  

selected  transi/on  and  does  not  seem  to  be  predictable  (not  related  to  pep/de  length,  hydrophobicity,…)  

t-­‐MS²  

•  Interference  on  

834.4562  (y8+)  

•  Can  be  avoided  

with  the  

fragment  exact   mass  

•  Reliable  

quan<fica<on  of  the   pep<de  when  the   matrix  amount   increases  

•  No  matrix  effect  

observed!  

140528-70ug-360fmol-tMS2-01 #2466-2551RT:22.31-22.53AV:14NL:6.94E4

F:FTMS + p ESI Full ms2 644.86@hcd25.00 [89.00-1335.00] 833.0 833.5 834.0 834.5 835.0 835.5 836.0 836.5 837.0 837.5 838.0 m/z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 R e la ti ve A b u n d a n ce 834.46 835.46 836.46 833.45 837.47 834.92

Interference  (problem  in  SRM  !  )  

t-­‐SIM  

•  Suppression   effect  observed   when  matrix   amount   increases  !   •  Not  reliable   quan<fica<on  

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