基于多级质谱的高通量鉴定糖链精细结构方法的建立及其应用研究

Glycosylation is one of the most important post-translational modifications (PTMs) of proteins. The change of carbohydrate chain structures including monosacharide composition, sequences, branches and linkage sites will affect the functions of glycoproteins, allowing the involvement of carbohydrate chains in the whole physiological processes. As a result, the research to carbohydrate chain structures of glycoproteins is of great significance to life science and clinical medicine. However, identification of specific carbohydrate chain structures requires combination of multiple research techniques and methods, making the identification low-throughput and non-systematic. In order to resolve this problem, we will first establish a high-throughput analytical method to identify specific carbohydrate chain structures based on multistage mass spectrometry (MALDI-TOF-MSn) and bioinformatic tools in glycomics, and then investigate the application of this method on biological and clinical samples. MSn can yield carbohydrate chain fragments at consecutive stages (MS1-MS5), thus obtaining detailed information of carbohydrate chain structures. Bioinformatic tools in glycomics can be utilized to interpretate fragments in multistage mass spectra, allowing detection of carbohydrate chain structures programmatically. As a result, our method will highly improve the sensitivity and throughput for the identification of carbohydrate chain structures.This study will finally provide systematic analytical techniques and methods for researches in glycomics, and has the potential to provide technical support for life science and clinical medicine as well.

糖基化修饰是最重要的蛋白质翻译后修饰之一，精细的糖链结构（包括单糖组成、序列分支和连接位点）的改变对糖蛋白的功能具有重要影响，从而作用于生物体的整个生理过程。因此，糖蛋白的糖链结构的研究对生命科学和临床医学具有非常重要的意义。目前，鉴定糖链精细结构往往需要多种技术方法相结合，且难以实现高通量和系统化的分析。为了解决这一难题，本研究拟基于多级质谱技术（MALDI-TOF-MSn）和糖生物信息学工具建立鉴定糖链精细结构的高通量分析方法，并将其应用到生物学样品和临床样品的分析中。利用多级质谱技术可产生糖链的多级碎片（MS1-MS5），从而获得尽可能详细的结构信息；利用糖生物信息学工具辅助可以程序化分析多级谱图中产生的碎片结构，从而准确且高通量地解析出糖链的精细结构。该糖链精细结构高通量分析方法的建立，将为糖组学研究提供系统的分析技术和方法，并有望为生命科学和临床医学提供有力的技术支持。

糖链的精细结构具有重要的生物学作用，糖链参与并影响着生物体的重要生理过程。本项目基于多级质谱技术逐级碎裂的模式，产生具有丰富糖链结构信息的碎片，并借助生物信息学工具分析多级质谱中的糖链结构碎片，建立了自动化和智能化鉴定糖链精细结构的程序和方法（GIPS）。.不同于蛋白质和多肽的链式结构，糖链具有复杂的分支结构，因而常规的一级质谱和串联质谱难以提供足够多的结构信息。本项目基于多级质谱技术，逐级产生糖链结构单元的碎片，并利用生物信息学中的结构库搜索方法，提出了智能选峰策略GIPS，即智能地选择最具有结构信息的碎片作为母离子进行下一级质谱扫描，大大提高了分析通量，并最终建立了高通量的糖链结构分析方法。利用建立的方法和策略，本项目鉴定了肺腺癌中N-糖的糖链分支结构，并找出了哪些糖链分支结构在肿瘤组织中异常表达。我们还利用建立的方法对人乳寡糖的分支结构进行了分析，鉴定出母乳寡糖中同一聚合度中的寡糖的具体分支结构。.糖链精细结构还包括单糖之间的连接位点信息，本项目基于多级质谱技术实现了糖链重要连接位点的鉴定。血型相关抗原包括A/B/H及Lewisa/b/x/y抗原，这些抗原的鉴定主要是获得单糖单元之间的连接位点信息。我们利用多级质谱的逐级碎裂模式，将糖链抗原的结构单元进行碎裂，获得了血型相关抗原的特征质谱谱图，从而实现了血型相关抗原的鉴定。利用建立的方法，我们实现了血清蛋白、牛颌下腺粘蛋白和人乳寡糖中的血型相关糖链抗原种类的鉴定。.综上所述，本项目基于多级质谱技术和生物信息学工具，建立了高通量的糖链精细结构方法，并利用建立的方法实现了对生物和临床样品的糖链精细结构鉴定。本项目建立的方法为研究糖链精细结构在疾病和健康中的作用提供了重要的分析手段。.本项目在研究期间发表SCI论文9篇，授权专利3项，培养硕士研究生1名，博士研究生3名，晋升高级职位人员1名。