동위원소에 의한 펩타이드 질량분포의 근사 계산방법과 펩타이드 중수소치환에의 적용

Abstract

질량분석법을 이용하는 프로테오믹스 연구에서는 먼저 시료 내의 단백질을 펩타이드로 절단한 다음, 질량 분석기를 이용해서 펩타이드의 질량 스펙트럼을 얻는다. 이렇게 얻어진 질량 스펙트럼은 펩타이드 이온의 질량을 전하량으로 나눈 값(m/z)에서 그 펩타이드가 얼마나 많이 나타났는지를 의미하는 intensity로 구성된다. 그런데 자연계에 분포하는 동위원소의 존재로 인해 펩타이드는 하나의 질량으로 결정되지 않고, 동위원소의 구성 비율에 따라 다양한 질량을 보이는데 이를 동위원소 분포(isotopic distribution)라 한다. 이런 isotopic distribution을 결정하는 것은 질량분석 데이터를 해석하는 첫 단계 라고 할 수 있으나 정확한 분포를 구하는 것은 많은 계산량을 요구한다. 이 논문에서는 isotopic distribution의 확률 모델을 근사시켜 정확도를 회생하는 대신, 계산량을 대폭적으로 줄여 계산의 속도를 향상시킨 알고리즘을 구현하였다. 그리고 이 근사 알고리즘이 중수소치환 실험결과를 분석하여 얻어진 결과를 검증하는 소프트웨어의 개밭에 응용될 수 있음을 보였다.Mass spectrometry-based proteomics involves analyzing mass spectra of peptides resultant from protein digestion. A mass spectrum is a record of peaks, each of which is signal intensity at a mass-to-charge ratio of a peptide. In a mass spectrum, a peptide is not represented as a single peak but consists of an isotopic cluster of peaks due to isotopes existing in nature. Thus, to determine the exact mass of a peptide, analyzing its isotopic distribution is the first step in data processing, but calculating an exact isotopic distribution requires a large amount of computation. In this work, we introduce an approximation method to reduce the computational complexity and show that it significantly improved the speed of the calculation with little loss in accuracy. Finally, we have shown this approximation algorithm can be applied to validating that analysis results of mass spectrometry data from hydrogen-deuterium exchange (HDX) experiments.