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JP7594307B2 - Method for direct analysis of glycoconjugate polymer sugar chains by MALDI-TOFMS and solid matrix composition for use therein - Google Patents
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JP7594307B2 - Method for direct analysis of glycoconjugate polymer sugar chains by MALDI-TOFMS and solid matrix composition for use therein - Google Patents

Method for direct analysis of glycoconjugate polymer sugar chains by MALDI-TOFMS and solid matrix composition for use therein Download PDF

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Description

本発明は、高分子量複合糖質等の糖鎖成分をアグリコン成分から切り出し操作を行うことなく、高い精度および感度でMALDI-TOFMS分析する方法および、そのような方法に適したマトリックス系を提供する。本発明は、特に、糖タンパク質、脂質結合糖鎖など、いずれのタイプの複合糖質の分析にも適用可能な、一連のマトリックス系を提供する。The present invention provides a method for analyzing glycan components such as high molecular weight glycoconjugates with high accuracy and sensitivity by MALDI-TOFMS without the need for cleavage procedures from the aglycone components, and a matrix system suitable for such a method. In particular, the present invention provides a series of matrix systems applicable to the analysis of any type of glycoconjugate, such as glycoproteins and lipid-bound glycans.

糖タンパク質や糖脂質などの複合糖質は、自然界において生物学的に重要な役割を果たす。例えば、細胞外に提示される糖鎖構造の違いは免疫システムによって識別され、輸血時の指標となる血液型や病原性微生物の識別に使用される血清型等として細胞表面に提示される。このとき細胞外に提示されるタンパク質の主要な翻訳後修飾として知られるアスパラギン残基上に提示された糖鎖(N-結合型糖鎖)は、正常な細胞表面に提示される糖鎖と、異常細胞(例えば、がん細胞)の表面に提示される糖鎖と、が異なることが知られている(図1)。すなわち、細胞表面に提示される糖質は、疾病、感染、免疫機構のバイオマーカーである。したがって、迅速かつ精度の高い、複合糖質の解析方法の開発は、非常に重要なテーマであり、マトリックス支援レーザー脱離/イオン化質量分析法(MALDI-MS)を用いた解析が行われている。しかしながら、MALDI-MSにおいて、糖鎖のイオン化効率は生体分子の中では低いため、生体分子中の複合糖質の解析には、アグリコン成分(タンパク質、脂質等)から糖鎖を切断し、糖鎖成分を分離、さらに糖鎖のイオン化効率を改善するための化学修飾、等の一連の前処理操作が必要である。Glycoconjugates such as glycoproteins and glycolipids play important biological roles in nature. For example, differences in glycan structures presented extracellularly are recognized by the immune system and presented on the cell surface as blood types, which are used as indicators for blood transfusions, and serotypes, which are used to identify pathogenic microorganisms. It is known that glycans presented on asparagine residues (N-linked glycans), which are known as the main post-translational modification of proteins presented extracellularly, differ between glycans presented on the surface of normal cells and those presented on the surface of abnormal cells (e.g., cancer cells) (Figure 1). In other words, carbohydrates presented on the cell surface are biomarkers for diseases, infections, and immune mechanisms. Therefore, the development of a rapid and highly accurate method for analyzing glycoconjugates is a very important theme, and analysis is being carried out using matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS). However, in MALDI-MS, the ionization efficiency of glycans is low compared to other biomolecules, and therefore analysis of glycoconjugates in biomolecules requires a series of pretreatment steps, such as cleaving the glycans from the aglycone components (proteins, lipids, etc.), separating the glycan components, and chemically modifying the glycans to improve their ionization efficiency.

マトリックス支援レーザー脱離/イオン化-飛行時間型質量分析法(MALDI-TOFMS)は、生体分子の高感度、高分解能分析のための迅速で強力な方法である。炭水化物および複合糖質は、一般に2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)を固体マトリックスとして使用するMALDI-TOFMSの分析対象である。しかし、糖タンパク質や糖脂質などのアグリコン成分を含む複合糖質型高分子をイオン化する場合、糖鎖とアグリコン成分双方の多様性に伴い解釈が困難な複雑なピークパターンを形成する。また、生体高分子を分析対象とする場合単位質量当たりの分子数の低下、イオン化効率の低下、およびインソース分解(ISD)およびポストソース分解(PSD)の双方による測定対象分子の分解等により、そのシグナル強度が弱くなり、検出が困難となる。また、ISDおよびPSDにより複合糖質がフラグメント化されると、擬似分子イオンが生成され、分析対象中の成分構造やその配列情報の解析が可能となるが、糖鎖成分はイオン化効率が他の成分と比較してイオン化効率が低いためグリカンの構造および配列情報を特定することが困難になる。実際にDHB等の一般的なMALDI-TOFMS用のマトリックスを用いて糖タンパク質のISDおよびPSD解析を行うとペプチド断片シグナルのみが得られ、アグリコン成分であるたんぱく質の末端配列情報が得られるが、糖鎖情報を示すイオンシグナルは消失していることが報告されている[非特許文献1]。Matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS) is a rapid and powerful method for sensitive and high-resolution analysis of biomolecules. Carbohydrates and glycoconjugates are commonly analyzed by MALDI-TOFMS using 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) as the solid matrix. However, when ionizing glycoconjugate macromolecules containing aglycone components such as glycoproteins and glycolipids, the diversity of both glycans and aglycone components leads to complex peak patterns that are difficult to interpret. In addition, when analyzing biopolymers, the signal intensity becomes weak due to the decrease in the number of molecules per unit mass, the decrease in ionization efficiency, and the decomposition of the target molecules due to both in-source decay (ISD) and post-source decay (PSD), making their detection difficult. In addition, when glycoconjugates are fragmented by ISD and PSD, pseudo-molecular ions are generated, which enable the analysis of the component structure and sequence information in the analyte, but the ionization efficiency of glycan components is lower than that of other components, making it difficult to identify the structure and sequence information of glycans. In fact, it has been reported that when ISD and PSD analysis of glycoproteins is performed using a general matrix for MALDI-TOFMS such as DHB, only peptide fragment signals are obtained, and terminal sequence information of the protein, which is the aglycon component, is obtained, but the ion signals indicating glycan information disappear [Non-Patent Document 1].

これらの課題を解決するために、複合糖質のアグリコン成分間を酵素または酸塩基処理等で分解し、糖鎖成分断片を分取し、さらに糖鎖成分のイオン化効率を向上させる化学修飾を施したのちに質量分析することが報告されている。この修飾戦略は、特に固相捕捉などの分離方法を用いる質量分析法を利用したグライコミクス型の研究には有効である。
しかしながら、分析プロセス(例えば、微生物の同定や診断)の簡素化とスピードアップのために、アグリコン成分の分解および除去プロセスなしの直接分析の要求がある。この意味で、ISDおよびPSDを活用した質量分析内での分析対象分子の分解(断片化)と内部構造情報の取得技術は極めて有効である。しかし、糖鎖のイオン化効率が低いため、高分子複合糖質の糖鎖成分は断片イオンを対象としたISDおよびPSD解析には適していないと考えられていた。
To solve these problems, it has been reported that the aglycone components of glycoconjugates are decomposed by enzymes or acid-base treatment, the glycan component fragments are separated, and the glycan components are chemically modified to improve the ionization efficiency before being analyzed by mass spectrometry. This modification strategy is particularly effective for glycomics-type research using mass spectrometry with separation methods such as solid-phase capture.
However, in order to simplify and speed up analytical processes (e.g., identification and diagnosis of microorganisms), there is a demand for direct analysis without decomposition and removal processes of aglycone components. In this sense, the decomposition (fragmentation) of the analyte molecule and acquisition of internal structural information in mass spectrometry using ISD and PSD are extremely effective. However, due to the low ionization efficiency of glycans, the glycan components of polymeric glycoconjugates were thought to be unsuitable for ISD and PSD analysis targeting fragment ions.

近年、様々なアリールアミン型の塩基性物質が、MALDIターゲットプレート上の分析対象と共にイオン液体および均質な結晶形を形成し、分析対象グリカンの感度と再現性を改善する、マトリックス中の添加剤として報告されている[非特許文献2~8]。Recently, various arylamine-type basic substances have been reported as additives in matrices that form ionic liquids and homogeneous crystalline forms with the analytes on the MALDI target plate, improving the sensitivity and reproducibility of the analyte glycans [Non-patent literature 2-8].

例えば、固体マトリックスとしてα-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)を用い、アリールアミン型の塩基性物質として3-アミノキノリンを添加した系(3AQ/CHCA)は、均一イオン液体を形成して、MALDIターゲットプレート上に高感度のアミノキノリン標識グリカンを提供することが知られている[非特許文献9]。このような均一イオン液体系は、しばしば、通常の固体マトリックスと比較してイオン化効率と分析対象のシグナル再現性の両方を改善するが、イオン液体のスポットは、ターゲットプレート上で、表面張力によりドーム状となる。そうすると、様々な角度でイオンが飛び出すので飛行時間が変動するので、ターゲットプレート上で不均一な大きな結晶を形成し易いDHBと同様に、イオンシグナルのピーク形状を広げる傾向がある。また、アニリンおよびそのN-メチル誘導体は、DHBと微結晶またはイオン液体を形成し、未修飾炭水化物のMALDI-TOFMSによる検出のためにイオン化することができることが知られている。
また、糖鎖の還元末端とO置換型ヒドロキシルアミン(アミノオキシ基)との組み合わせによるオキシム形成反応が糖鎖のラベル化および捕捉反応として報告されている。特に、糖鎖構造解析においてはヒドロキシルアミン型のラベル化反応を鍵としたプロセスが報告されている。[特許文献1~10、非特許文献10~12]。
For example, a system using α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA) as a solid matrix and adding 3-aminoquinoline as an arylamine-type basic substance (3AQ/CHCA) is known to form a homogeneous ionic liquid and provide highly sensitive aminoquinoline-labeled glycans on a MALDI target plate [Non-Patent Document 9]. Although such homogeneous ionic liquid systems often improve both ionization efficiency and analyte signal reproducibility compared to normal solid matrices, the ionic liquid spot on the target plate becomes dome-shaped due to surface tension. In this way, the ions are ejected at various angles, which causes variations in flight time and tends to broaden the peak shape of the ion signal, as does DHB, which tends to form large heterogeneous crystals on the target plate. It is also known that aniline and its N-methyl derivatives can form microcrystals or ionic liquids with DHB and ionize unmodified carbohydrates for detection by MALDI-TOFMS.
In addition, an oxime-forming reaction by combining the reducing end of a glycan with an O-substituted hydroxylamine (aminooxy group) has been reported as a glycan labeling and capture reaction. In particular, a process using a hydroxylamine-type labeling reaction as a key for glycan structural analysis has been reported [Patent Documents 1 to 10, Non-Patent Documents 10 to 12].

特許第5147815号明細書Patent No. 5147815 特許第5467815号明細書Patent No. 5467815 特許第5368725号明細書Patent No. 5368725 特許第5682767号明細書Patent No. 5682767 特許第4566604号明細書Patent No. 4566604 Specification 特許第5289707号明細書Patent No. 5289707 特許第5485449号明細書Patent No. 5485449 特許第5301705号明細書Patent No. 5301705 Specification 特許第5301706号明細書Patent No. 5301706 特許第5301708号明細書Patent No. 5301708 Specification 国際公開第2020/153502号International Publication No. 2020/153502

Detlev Suckau and Anja Resemann, Anal. Chem. 2003, 75, 5817-5824.Detlev Suckau and Anja Resemann, Anal. Chem. 2003, 75, 5817-5824. Snovida, S. I.; Chen, V. C.; Perreault, H., Use of a 2,5-dihydroxybenzoic acid/aniline MALDI matrix for improved detection and on-target Derivatization of glycans: A preliminary report. Anal Chem 2006, 78 (24), 8561-8.Snovida, S. I.; Chen, V. C.; Perreault, H., Use of a 2,5-dihydroxybenzoic acid/aniline MALDI matrix for improved detection and on-target Derivatization of glycans: A preliminary report. Anal Chem 2006, 78 (24), 8561-8. Snovida, S. I.; Rak-Banville, J. M.; Perreault, H., On the use of DHB/aniline and DHB/N,N-dimethylaniline matrices for improved detection of carbohydrates: automated identification of oligosaccharides and quantitative analysis of sialylated glycans by MALDI-TOF mass spectrometry. J Am Soc Mass Spectrom 2008, 19 (8), 1138-46.Snovida, S. I.; Rak-Banville, J. 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糖ペプチドや、より高分子量かつ複雑な三次元構造を有する糖タンパク質に結合した糖鎖を質量分析により構造解析する場合、糖ペプチドまたは糖タンパク質がフラグメント化されるが、アミノ酸配列は糖鎖よりもイオン化効率が高いため、ペプチドフラグメントは観察されるが、糖鎖部分はイオン化が抑制され、その結果、糖鎖の解析が困難であった。
実際に典型的なマトリックスである、シナピン酸 (Sinapic acid; SA)、2,5-ジヒドロキシ安息香酸 (2,5-dihydroxybenzoic aicd; DHB)、およびα-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸 (CHCA)を用いて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、ペプチドフラグメントのみが観察され、糖鎖フラグメントは生成しないことが分かっている[非特許文献1]。
したがって、糖鎖解析を行う場合、(i)ペプチドまたはタンパク質から糖鎖の切り出し(化学的または酵素的切断)、(ii)糖鎖を分離し(親水性クロマト、レクチン、化学選択的修飾等)、(iii)イオン化効率を向上(アノマー位の修飾、完全メチル化、カルボン酸の修飾等)を経た後解析することが常套手段となっている。
When structural analysis of glycans bound to glycopeptides or glycoproteins with higher molecular weights and complex three-dimensional structures is performed by mass spectrometry, the glycopeptides or glycoproteins are fragmented. Since the ionization efficiency of amino acid sequences is higher than that of glycans, peptide fragments are observed, but the ionization of the glycan portion is suppressed, making analysis of the glycans difficult.
In fact, when the glycoprotein RNase B is analyzed using typical matrices such as sinapic acid (SA), 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), and α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), only peptide fragments are observed, and no glycan fragments are generated [Non-Patent Document 1].
Therefore, the standard procedure for glycan analysis is to (i) excise the glycans from the peptide or protein (chemical or enzymatic cleavage), (ii) separate the glycans (hydrophilic chromatography, lectins, chemoselective modification, etc.), and (iii) improve the ionization efficiency (anomeric modification, complete methylation, carboxylic acid modification, etc.) before analysis.

より近年、マトリックスに対塩を加えたイオン液体マトリックスが多用されるようになった。これに対し本発明者らは、無修飾シアリル化糖鎖のソフトイオン化法に最適な固体マトリックスとして「アニリン誘導体/DHB/アルカリ金属マトリックス組成物」を開発し、さらにアニリン誘導体の代わりにアミノオキシ基含有芳香族誘導体を用いたマトリックスを用いると糖鎖のラベル化と高感度ソフトイオン化が同時に達成できることを見出した[特許文献11、非特許文献13]。これらのマトリックスは、糖ペプチド(例えば、卵黄由来のシアリルグリコペプチド(SGP))糖鎖のイオン化効率を高めることが実証された。In recent years, ionic liquid matrices in which counter salts have been added to the matrix have come to be widely used. In response to this, the present inventors developed an "aniline derivative/DHB/alkali metal matrix composition" as an optimal solid matrix for the soft ionization method of unmodified sialylated glycans, and further discovered that labeling of glycans and high-sensitivity soft ionization can be achieved simultaneously by using a matrix containing an aminooxy group-containing aromatic derivative instead of an aniline derivative [Patent Document 11, Non-Patent Document 13]. These matrices have been demonstrated to increase the ionization efficiency of glycopeptide (e.g., egg yolk-derived sialylglycopeptide (SGP)) glycans.

しかしながら、本発明者らが開発したマトリックス組成物が、より高分子量、より複雑な構造を有する糖タンパク質や脂質結合糖鎖の解析にも有効であるか否かは確かめられていない。また、解析対象が上記SPGであっても、分析対象とマトリックス組成物との間には相性があり、系内にナトリウムイオンなどの金属イオンが存在すると、無信号となるマトリックスの組合せも存在する[特許文献11、非特許文献13]。However, it has not been confirmed whether the matrix composition developed by the present inventors is also effective for the analysis of glycoproteins and lipid-bound glycans with higher molecular weights and more complex structures. In addition, even if the subject of analysis is the above-mentioned SPG, there is compatibility between the subject of analysis and the matrix composition, and there are matrix combinations that result in no signal when metal ions such as sodium ions are present in the system [Patent Document 11, Non-Patent Document 13].

現在、感染症の拡大を防止する観点から迅速な病原性の菌体検査が重要視されている。よく研究されている病原性菌体である大腸菌はグラム陰性菌である。グラム陰性菌は、細胞壁最外部にリポ多糖と呼ばれる糖脂質を有しており、その末端はO抗原と呼ばれる繰り返し型多糖類を有しており、その繰り返しパターンは同一菌種でも多様性を有する。細菌類が感染すると我々の体はこのO抗原に対する免疫を作る。同一種の細菌でも様々な形のO抗原を持っている(血清型と呼ばれる)。そのため、細菌類の菌株分類に使用され、O1、O2、O5、O6、O18、O25、O26、O55、O74、O91、O103、O104、O105、O111、O113、O114、O115、O117、O118、O119、O121、O128、O143、O145、O153、O157、O161、O165、O172等が病原性大腸菌となりうることが報告されている。なかでも腸管出血性大腸菌O26、O111、O157が有名である。Currently, rapid testing of pathogenic bacteria is considered important in terms of preventing the spread of infectious diseases. Escherichia coli, a well-studied pathogenic bacteria, is a gram-negative bacterium. Gram-negative bacteria have a glycolipid called lipopolysaccharide on the outermost part of their cell wall, the end of which has a repeating polysaccharide called O antigen, and the repeating pattern varies even within the same bacterial species. When we become infected with bacteria, our bodies develop immunity to these O antigens. Even bacteria of the same species have various forms of O antigens (called serotypes). Therefore, it is used to classify bacterial strains, and it has been reported that O1, O2, O5, O6, O18, O25, O26, O55, O74, O91, O103, O104, O105, O111, O113, O114, O115, O117, O118, O119, O121, O128, O143, O145, O153, O157, O161, O165, O172, etc. can become pathogenic E. coli. Among them, enterohemorrhagic E. coli O26, O111, and O157 are well known.

医療現場では、MALDI-TOFMS分析法を用いて細菌、真菌などの微生物(菌体)を直接分析して分類し、同定することが医療で応用され、そのようなMALDI-TOFMS機器が医療機器として認可されている。しかしながら、現在のMALDI-TOFMS分析法は、菌体由来のタンパク質を検出することにとどまり、血清型の識別ができないため、菌体の種類(例えば、大腸菌、コレラ菌など)に大きく分類するにすぎず、同一菌種中の菌株(例えば、大腸菌O6, O157など)を分類することができない。In medical settings, MALDI-TOFMS analysis is used to directly analyze, classify, and identify microorganisms (microbial bodies) such as bacteria and fungi, and such MALDI-TOFMS instruments have been approved as medical devices. However, current MALDI-TOFMS analysis is limited to detecting proteins derived from bacterial bodies and cannot identify serotypes, so it can only broadly classify bacterial bodies into types (e.g., E. coli, Vibrio cholerae, etc.) and cannot classify strains within the same species (e.g., E. coli O6, O157, etc.).

これらグラム陰性菌の表面に存在するリポ多糖(lipopolysaccharide; LPS)は、根元成分であるLipid Aと、それに結合するO抗原から構成される。Lipid Aの構造は、Nagative ion mode MALTI-TOFMSにより直接解析できることが報告されている[非特許文献14]。一方、O抗原の構造を直接決定することができないため、菌株分類には抗体やオリゴDNAプライマーなどの分子プローブを要する従来の分析技術が利用されており、広範な感染症に対応するためにはあらかじめ予想されるすべての菌株に対応するプローブ分子を準備する必要がある。そのため、菌株決定にはプローブ分子を備蓄している検査機関などに検体を送付し、再度検査を実施する必要がある。医療現場の求める速度でのO抗原のノンプローブ解析技術として、IRバイオタイピング技術などが提案されているが、分解能が低いため普及していない。また、質量分析によるO抗原の直接配列解析例もない。Lipopolysaccharide (LPS) present on the surface of these gram-negative bacteria consists of lipid A, which is the base component, and O antigens that bind to it. It has been reported that the structure of lipid A can be directly analyzed by negative ion mode MALTI-TOFMS [Non-Patent Document 14]. On the other hand, since the structure of O antigens cannot be directly determined, conventional analytical techniques that require molecular probes such as antibodies and oligo DNA primers are used for strain classification, and in order to respond to a wide range of infectious diseases, it is necessary to prepare probe molecules corresponding to all expected strains in advance. Therefore, to determine the strain, it is necessary to send the sample to a testing institution that has a stock of probe molecules and perform the test again. IR biotyping technology has been proposed as a non-probe analysis technology for O antigens that can be performed at the speed required by medical sites, but it has not been widely used due to its low resolution. In addition, there are no examples of direct sequence analysis of O antigens by mass spectrometry.

O抗原の構造決定は、フェノール抽出法で得たリポ多糖を完全メチル化後に酸加水分解し、ガスクロマトグラフや質量分析により得られた単糖類のメチル化パターンから結合位置を推定する方法と、温和な酸加水分解や酵素分解等のプロセスを経て得られた試料をNMR等で観察する方法を組み合わせることにより解析されてきた[非特許文献20](図6g-3)。しかしながら、この解析法は前処理を含む高度な技術とNMRに使用可能なサンプル量を要するため、医療現場や食品検査などで一般的に利用することは困難である。また、このニーズを満たすO抗原の直接構造解析法は未報告である。The structure of the O antigen has been determined by combining a method in which lipopolysaccharide obtained by phenol extraction is fully methylated and then acid-hydrolyzed, and the binding positions are estimated from the methylation patterns of monosaccharides obtained by gas chromatography or mass spectrometry, with a method in which samples obtained through processes such as mild acid hydrolysis or enzymatic decomposition are observed by NMR or other methods [Non-Patent Document 20] (Figure 6g-3). However, this analysis method requires advanced techniques including pretreatment and a sample amount suitable for NMR, making it difficult to generally use in the medical field or food inspection. Furthermore, a direct structural analysis method for O antigens that meets this need has not yet been reported.

すなわち、本発明の課題は、糖タンパク質や脂質結合糖鎖の糖鎖も、糖鎖切り出しや修飾などの予備処理することなく、糖鎖成分構造を直接解析するための一連のマトリックス組成物を構築することにある。In other words, the objective of the present invention is to construct a series of matrix compositions for directly analyzing the glycan component structures of glycoproteins and lipid-bound glycans without preliminary treatments such as glycosylation or modification.

本発明の複合糖質高分子糖鎖の直接解析方法は、糖タンパク質、脂質結合糖鎖など、いずれのタイプの複合糖質も分析対象とする。
糖ペプチドの直接解析方法は、本発明者らがすでに開発したが、本発明は、糖ペプチドよりも分子量が大きく複雑構造を有する糖タンパク質や分子量の大きい糖脂質であるリポ多糖などの糖鎖成分断片を選択的にイオン化し、直接解析を成功させた。
対象となる高分子量複合糖質は、リボヌクレアーゼ (ribonuclease, RNase)およびリポ多糖などを含む。リボヌクレアーゼはリボ核酸を分解してオリゴヌクレオチドあるいはモノヌクレオチドにする反応を触媒する酵素であり、RNase A、RNase B、RNase C、RNase T1、RNase Iなどがある。例えば、RNase Bは、表面に2つのGlcNAcと、3~9個のマンノースからなる糖鎖を有する(図6g-1)。
The method for direct analysis of complex carbohydrate polymer glycans of the present invention can analyze any type of complex carbohydrate, such as glycoproteins and lipid-bound glycans.
The present inventors have already developed a method for the direct analysis of glycopeptides. In the present invention, however, the present inventors have succeeded in selectively ionizing and directly analyzing glycan component fragments of glycoproteins, which have larger molecular weights and more complex structures than glycopeptides, and lipopolysaccharides, which are glycolipids with large molecular weights.
The target high molecular weight complex carbohydrates include ribonucleases (RNases) and lipopolysaccharides. Ribonucleases are enzymes that catalyze the reaction of decomposing ribonucleic acid into oligonucleotides or mononucleotides, and include RNase A, RNase B, RNase C, RNase T1, and RNase I. For example, RNase B has a sugar chain consisting of two GlcNAc and 3 to 9 mannose units on its surface (Fig. 6g-1).

さらに、本発明の複合糖質高分子糖鎖の直接解析方法は、ウズラ卵白のように、種々のタンパク質を含有するタンパク質混合物や、グラム陰性菌やその抽出物のように、生体レベルの複雑な混合物も対象とする。 Furthermore, the direct analysis method of complex carbohydrate polymer glycans of the present invention is also applicable to protein mixtures containing various proteins, such as quail egg white, and complex mixtures at the biological level, such as gram-negative bacteria and their extracts.

本発明では、糖ペプチドではなく、より高分子量、より複雑な構造を有する糖タンパク質や脂質結合糖鎖の糖鎖の構造解析において、アニリン誘導体/DHBマトリックス系にアルカリ金属イオンを添加したマトリックス組成物が糖鎖断片のイオン化効率を選択的に向上させ、レーザー強度を調整することにより糖鎖の内部構造の質量分析が可能となり、および複合糖質におけるペプチド等のアグリコン部位のイオン化が抑制されることを見出した。
さらに、上記、マトリックス組成物に、1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を添加すると、糖鎖のフラグメント化が促進されて、より分子量が小さく単糖成分に相当する分子量差を示す糖鎖フラグメントピークを形成し、複合糖質高分子中の糖鎖成分の選択的解析の分解能および精度が向上することも見いだした。
In the present invention, in the structural analysis of glycans of glycoproteins and lipid-bound glycans, which have higher molecular weights and more complex structures than glycopeptides, it was found that a matrix composition in which alkali metal ions were added to an aniline derivative/DHB matrix system selectively improved the ionization efficiency of glycan fragments, and that by adjusting the laser intensity, it became possible to perform mass analysis of the internal structure of the glycan, and that ionization of aglycone sites such as peptides in complex carbohydrates was suppressed.
Furthermore, it was found that the addition of 1,5-diaminonaphthalene (DAN) to the above-mentioned matrix composition promotes the fragmentation of glycans, forming glycan fragment peaks with smaller molecular weights and showing molecular weight differences equivalent to monosaccharide components, thereby improving the resolution and accuracy of selective analysis of glycan components in complex glycopolymers.

また、上述のマトリックス系の比率を変化させることなくアニリン誘導体を、共役酸がpKa4.0~5.0を示すヒドロキシルアミン化合物であるベンジルヒドロキシルアミンに置き換えたところ、脂質結合糖鎖においては上述のマトリックスと同様のイオン化効率が得られると共に、糖鎖のフラグメント化が抑制され、アニリン誘導体を用いた場合より分子量の大きい糖鎖フラグメントピークを形成することを見出した。 Furthermore, when the aniline derivative was replaced with benzylhydroxylamine, a hydroxylamine compound whose conjugate acid has a pKa of 4.0 to 5.0, without changing the ratio of the above-mentioned matrix system, it was found that the same ionization efficiency was obtained for lipid-bound glycans as with the above-mentioned matrix, while fragmentation of the glycans was suppressed, resulting in the formation of glycan fragment peaks with larger molecular weights than when the aniline derivative was used.

さらに、上述のマトリックス系の比率を変化させることなくDHBをペプチドやタンパク質の分析に使用されるα-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、およびCHCA誘導体である4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(ClCCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(BrCCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、ピコリン酸(3PA)等のMALDI-MSに常用される酸性マトリックスに置き替えたところ、いずれも糖鎖選択的なイオン化能を示し、糖タンパク質などの複合糖質の解析において糖鎖フラグメントピークを優先的に生成することを見出した。Furthermore, without changing the ratio of the above-mentioned matrix system, DHB was replaced with acidic matrices commonly used in MALDI-MS, such as α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), which is used in the analysis of peptides and proteins, and its CHCA derivatives 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (ClCCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (BrCCA), methyl α-cyano-4-hydroxycinnamate (CNME), 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), and picolinic acid (3PA). It was found that all of these matrices exhibited selective ionization ability for glycans and preferentially produced glycan fragment peaks in the analysis of complex carbohydrates such as glycoproteins.

本発明者らは、3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)が、1分子内にカルボキシル基および水酸基を有する2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)およびアミノ基を有するアニリン誘導体の双方の特徴を併せ持っていることに着目し、アルカリ金属添加AHBAをマトリックスとしてN-結合型糖鎖を有する糖たんぱく質(RNase B)のMALDI-ISD解析を実施したところ、N-結合型糖鎖の還元末端糖残基選択的環内解列と糖残基選択的イオン化が実現できることを実証した。The inventors focused on the fact that 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA) has the characteristics of both 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), which has a carboxyl group and a hydroxyl group in one molecule, and aniline derivatives, which have an amino group. They performed MALDI-ISD analysis of a glycoprotein (RNase B) with N-linked glycans using alkali metal-added AHBA as a matrix, and demonstrated that selective endocyclic dissociation of the reducing terminal sugar residues of N-linked glycans and selective ionization of the sugar residues can be achieved.

AHBAはMALDI-TOF MS法が開発された初期に遊離糖鎖をイオン化することができるマトリックスとしてMockらにより1991年に報告された[非特許文献15]。しかし、同時期にHillenkampらにより報告されたDHB[非特許文献16]と比較して、中性糖鎖のイオン化効率(検出感度)が一桁低かったため、使用されなくなった[非特許文献17、18]。AHBA was reported by Mock et al. in 1991 as a matrix capable of ionizing free glycans in the early days of the development of the MALDI-TOF MS method [Non-Patent Document 15]. However, compared with DHB reported by Hillenkamp et al. at the same time [Non-Patent Document 16], its ionization efficiency (detection sensitivity) for neutral glycans was one order of magnitude lower, and it fell out of use [Non-Patent Documents 17, 18].

本発明において、マトリックス系として1分子内にカルボキシル基、水酸基およびアミノ基を有する3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)などのアミノヒドロキシ安息香酸誘導体にナトリウムなどのアルカリ金属を添加すれば、N-結合型糖タンパク質のみならず、O-結合型糖タンパク質を直接解析できることも見いだした。これにより、MALDI-TOFMS分析法を用いて微生物(細菌、真菌など)が有するタンパク質および糖鎖を直接分析して、菌種の分類のみならず、その菌種の血清型を同定することができるようになった。In the present invention, it was discovered that by adding an alkali metal such as sodium to an aminohydroxybenzoic acid derivative such as 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA), which has a carboxyl group, a hydroxyl group, and an amino group in one molecule as a matrix system, it is possible to directly analyze not only N-linked glycoproteins but also O-linked glycoproteins. This has made it possible to directly analyze the proteins and glycans of microorganisms (bacteria, fungi, etc.) using MALDI-TOFMS analysis, and to not only classify bacterial species but also identify the serotype of the bacterial species.

すなわち、本発明は以下の態様よりなる。
1)マトリックス支援レーザー脱離/イオン化-飛行時間型質量分析法(MALDI-TOFMS分析法)において高分子糖鎖及び高分子複合糖質のISDおよびPSD断片糖鎖の選択的高感度解析を実現する固体マトリックス組成物;
2)本発明による固体マトリックス組成物を使用する、高分子糖鎖および高分子複合糖質由来の糖鎖断片選択的MALDI-TOFMS分析法および高分子糖鎖および高分子複合糖質の糖鎖成分のMALDI-TOF/TOFMS分析法;
3)本発明による固体マトリックス組成物を使用するMALDI-TOF/TOFMS分析法に用いる、分析用測定プレート。
That is, the present invention comprises the following aspects.
1) A solid matrix composition that enables selective and highly sensitive analysis of ISD and PSD fragment glycans of polymeric glycans and polymeric glycoconjugates in matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry (MALDI-TOFMS analysis);
2) A selective MALDI-TOFMS analysis method for glycan fragments derived from polymeric glycans and polymeric glycoconjugates and a MALDI-TOF/TOFMS analysis method for glycan components of polymeric glycans and polymeric glycoconjugates using the solid matrix composition according to the present invention;
3) An analytical measurement plate for use in a MALDI-TOF/TOFMS analysis method using the solid matrix composition according to the present invention.

本発明の第1の態様においては、酸性基、芳香族性塩基性残基およびヒドロキシルアミン型塩基性残基から選択される共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性残基、ならびに芳香族性水酸基を有する1または複数の化合物群;ならびに1価の金属イオンを含む、固体マトリックス組成物を提供する。In a first aspect of the present invention, there is provided a solid matrix composition comprising one or more groups of compounds having a conjugate acid selected from an acidic group, an aromatic basic residue, and a hydroxylamine-type basic residue, the conjugate acid having a pKa of 4.0 to 5.0, and an aromatic hydroxyl group; and a monovalent metal ion.

本発明の第1の態様におけるひとつの具体例においては、酸性固体マトリックス;芳香族性塩基性分子およびヒドロキシルアミン型塩基性分子から選択される、共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性分子;および、所望により、1価の金属イオンを含む混合物を固体マトリックス組成物として採用する。また、フラグメント化促進剤として1,5-ジアミノナフタレン(DAN)をさらに添加することが好ましい。In one specific example of the first aspect of the present invention, a mixture containing an acidic solid matrix, a basic molecule selected from aromatic basic molecules and hydroxylamine-type basic molecules, the conjugate acid of which has a pKa of 4.0 to 5.0, and, optionally, a monovalent metal ion is used as the solid matrix composition. It is also preferable to further add 1,5-diaminonaphthalene (DAN) as a fragmentation promoter.

前記酸性固体マトリックスとしては、カルボン酸を含有し、pKa 1.0~6.0を示すもの、または、芳香族性水酸基を含有し、pKa 6.0~10.0を示すものが好ましく、例えば、2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、CHCA誘導体である4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、およびピコリン酸(PA)等のMALDI法に使用される典型的なマトリックス化合物が挙げられる。The acidic solid matrix preferably contains a carboxylic acid and has a pKa of 1.0 to 6.0, or contains an aromatic hydroxyl group and has a pKa of 6.0 to 10.0. Examples of typical matrix compounds used in the MALDI method include 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), CHCA derivatives 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid methyl (CNME), 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), and picolinic acid (PA).

前記1価の金属イオンとしては、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、およびセシウムイオン等のアルカリ金属イオンが挙げられる。 Examples of the monovalent metal ions include alkali metal ions such as lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, and cesium ions.

前記共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性化合物としては、例えば、アニリン、N-メチルアニリン(NMA)、N,N-ジメチルアニリン(DMA)、3-アミノキノリン(3AQ)などの芳香族性塩基性分子、およびO-ベンジルヒドロキシルアミン(BOA)などのヒドロキシルアミン型塩基性分子が挙げられる。Examples of basic compounds whose conjugate acids have a pKa of 4.0 to 5.0 include aromatic basic molecules such as aniline, N-methylaniline (NMA), N,N-dimethylaniline (DMA), and 3-aminoquinoline (3AQ), and hydroxylamine-type basic molecules such as O-benzylhydroxylamine (BOA).

前記1価の金属イオンの添加量が、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して1~50モル%であることが好ましい。It is preferable that the amount of monovalent metal ion added is 1 to 50 mol % relative to 100 mol % of the acidic solid matrix.

前記共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性化合物の添加量が、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して10~150モル%であることが好ましい。It is preferable that the amount of the basic compound whose conjugate acid has a pKa of 4.0 to 5.0 is 10 to 150 mol % relative to 100 mol % of the acidic solid matrix.

さらに、フラグメント化促進剤として、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して1~100モル%の1,5-ジアミノナフタレンを含むことができる。Additionally, the fragmentation promoter may include 1 to 100 mol % of 1,5-diaminonaphthalene relative to 100 mol % of the acidic solid matrix.

本発明の第1の態様におけるもうひとつの具体例においては、1分子内に、カルボキシル基、芳香族性水酸基および共役酸がpKa4.0~5.0を示す芳香族性塩基性残基を有する両性固体マトリクスであって、式(1):In another specific example of the first aspect of the present invention, there is provided an amphoteric solid matrix having a carboxyl group, an aromatic hydroxyl group, and an aromatic basic residue whose conjugate acid has a pKa of 4.0 to 5.0 in one molecule, the amphoteric solid matrix being represented by the formula (1):

Figure 0007594307000001
(式中、R~Rは、それぞれ、独立して、水素原子、水酸基、アルキル基、エーテル基、カルボキシル基および/またはアミノ基であって、R~Rのうちいずれかふたつは、それぞれ、水酸基およびアミノ基である。)で表されるアミノヒドロキシ安息香酸;ならびに1価の金属イオンを含む混合物を固体マトリックス組成物として採用する。
Figure 0007594307000001
(wherein R 1 to R 5 are each independently a hydrogen atom, a hydroxyl group, an alkyl group, an ether group, a carboxyl group, and/or an amino group, and any two of R 1 to R 5 are each a hydroxyl group and an amino group), and a mixture containing a monovalent metal ion is used as the solid matrix composition.

前記アミノヒドロキシ安息香酸は、下式:The aminohydroxybenzoic acid has the following formula:

Figure 0007594307000002
で表される化合物からなる群から選択されるアミノヒドロキシ安息香酸である。
Figure 0007594307000002
The aminohydroxybenzoic acid is selected from the group consisting of compounds represented by the formula:

1分子内に、芳香族性水酸基および共役酸がpKa4.0~5.0を示す芳香族性塩基性残基を有する両性固体マトリクスとして、3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)が挙げられる。 3-Amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA) is an example of an amphoteric solid matrix that contains an aromatic hydroxyl group and an aromatic basic residue whose conjugate acid has a pKa of 4.0 to 5.0 within one molecule.

前記1価の金属イオンとしては、例えば、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、およびセシウムイオン等のアルカリ金属イオンが挙げられる。 Examples of the monovalent metal ions include alkali metal ions such as lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, and cesium ions.

前記1価の金属イオンの添加量が、前記両性固体マトリックス100モル%に対して1~50モル%であることが好ましい。It is preferable that the amount of monovalent metal ion added is 1 to 50 mol % relative to 100 mol % of the amphoteric solid matrix.

本発明の第2の態様においては、糖鎖断片選択的MALDI-TOF質量分析法に、撥水処理等により濃縮効果を期待できるターゲットプレートを使用することによりサンプル濃縮位置を制御して、微量検体の高感度自動分析を可能とする。また、本発明の効果を十分に得るためには、マトリックス系と測定対象が白濁固体を形成することが必須である。本発明によれば、マトリックスの性状が従来のDHBと異なり、微結晶またはアモルファス状固体となってターゲットエリアに測定対象が均一に分布するため、測定再現性が向上する。すなわち、イオン性液体性状のマトリックスや、比較的大きな結晶を形成する性状のマトリックスは本発明の対象とはならない。
さらにTOF/TOF解析を行うことにより、糖鎖内部構造など、フラグメント情報を解析することが可能になる。
In the second aspect of the present invention, a target plate that can be expected to have a concentration effect by water repellent treatment or the like is used in the glycan fragment selective MALDI-TOF mass spectrometry, thereby controlling the sample concentration position and enabling high sensitivity automatic analysis of a trace amount of specimen. In addition, in order to fully obtain the effects of the present invention, it is essential that the matrix system and the measurement target form a cloudy white solid. According to the present invention, the matrix has properties different from those of conventional DHB, and is a microcrystalline or amorphous solid, and the measurement target is uniformly distributed in the target area, improving measurement reproducibility. In other words, matrices with ionic liquid properties and matrices that form relatively large crystals are not subject to the present invention.
Furthermore, by performing TOF/TOF analysis, it becomes possible to analyze fragment information such as the internal structure of the glycan.

本発明の第3の態様においては、本発明の酸性固体マトリックス組成物の水性溶液をターゲットプレート上にスポットし、乾燥させて、少なくともその一部にマトリックス層を形成する。In a third aspect of the present invention, an aqueous solution of the acidic solid matrix composition of the present invention is spotted onto a target plate and dried to form a matrix layer on at least a portion thereof.

本発明の固体マトリックス組成物と、フラグメント化促進剤として1,5-ジアミノナフタレン(DAN)とを適切に組み合わせて用いるMALDI-TOFMS分析によれば、リフレクトロンモードで、いかなる修飾もすることなく糖タンパク質および脂質結合糖鎖に含まれる糖鎖を高い精度で分析することができる。 By using a MALDI-TOFMS analysis in which the solid matrix composition of the present invention is appropriately combined with 1,5-diaminonaphthalene (DAN) as a fragmentation promoter, glycans contained in glycoproteins and lipid-bound glycans can be analyzed with high accuracy in reflectron mode without any modification.

正常細胞および異常細胞の表面上に結合する糖鎖の概略図。Schematic diagram of glycans bound to the surface of normal and diseased cells. マトリックス組成物の調製に用いる化合物を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing compounds used in the preparation of a matrix composition. マトリックス組成物の調製に用いる化合物を示す概略図Schematic diagram showing compounds used in the preparation of the matrix composition. マトリックス組成物の調製に用いる化合物を示す概略図Schematic diagram showing compounds used in the preparation of the matrix composition. マトリックス組成物の調製に用いる化合物を示す概略図Schematic diagram showing compounds used in the preparation of the matrix composition. 分析対象の模式図。Schematic diagram of the analysis target. [実施例1]マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOFMSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターン。[Example 1] Spectral pattern derived from the decomposition of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOFMS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). [実施例1-2]マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるLIFT-TOF/TOF MSモードにおいて、分析対象RNase B由来のTOF/TOF分解パターン。[Example 1-2] TOF/TOF degradation pattern derived from analyte RNase B in LIFT-TOF/TOF MS mode using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). [実施例2]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOFMSFにおいて、分析対象RNase Bの分解パターン。[Example 2] Degradation pattern of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MSF using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN). [実施例2-2]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるLIFT-TOF/TOF MSモードにおいて、分析対象RNase B由来のTOF/TOF分解パターン。[Example 2-2] TOF/TOF degradation pattern derived from analyte RNase B in LIFT-TOF/TOF MS mode using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN). [実施例3]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象ウズラ卵白(糖タンパク質混合物)の分解パターン。[Example 3] Decomposition pattern of the analyzed quail egg white (glycoprotein mixture) in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN). [実施例4]マトリックス組成物3(CHANa-3AQ)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解パターン。[Example 4] Degradation pattern of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 3 (CHANa-3AQ). [実施例5]マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターン。[Example 5] Decomposition pattern of the analyte O157-derived lipopolysaccharide in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). [実施例5-2]マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターン。[Example 5-2] Internal structure pattern of O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide in LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). [実施例6]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターン。[Example 6] Decomposition pattern of the analyte O157-derived lipopolysaccharide in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN). [実施例6-2]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターン。[Example 6-2] Internal structure pattern of O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide in LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 2 (DHBNa-aniline + DAN). [実施例7]マトリックス組成物4(DHBNa-BOA)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターン。[Example 7] Decomposition pattern of the analyte O157-derived lipopolysaccharide in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 4 (DHBNa-BOA). [実施例7-2]マトリックス組成物4(DHBNa-BOA)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターン。[Example 7-2] Internal structure pattern of O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide in LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 4 (DHBNa-BOA). [実施例8]マトリックス組成物5(DHBNa+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、(a)分析対象O6菌体処理の上清中のリポ多糖の分解パターン;(b)分析対象O157菌体処理物の上清中リポ多糖の分解パターン。[Example 8] In reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 5 (DHBNa + DAN), (a) degradation pattern of lipopolysaccharide in the supernatant of the treated O6 bacterial body to be analyzed; (b) degradation pattern of lipopolysaccharide in the supernatant of the treated O157 bacterial body to be analyzed. [実施例9]マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果。[Example 9] Effect of added sodium amount on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). [実施例10]マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果。[Example 10] Effect of added sodium amount on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN). [実施例11]マトリックス組成物5(DHBNa-DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるDAN添加量の効果。[Example 11] Effect of the amount of DAN added on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 5 (DHBNa-DAN). [実施例12]マトリックス組成物6(DHBNa)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果。[Example 12] Effect of added sodium amount on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 6 (DHBNa). [参考例]1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターン。[Reference Example] Spectral pattern derived from the decomposition of the target RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using 1,5-diaminonaphthalene (DAN). [実施例13]α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 13] Effect of adding 20 mol% DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing sodium and aniline in α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA). [実施例14]2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 14] Effect of adding 20 mol% DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing sodium and aniline in 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP). [実施例15]ピコリン酸(PA)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 15] Effect of adding 20 mol% DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the target RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing sodium and aniline in picolinic acid (PA). [実施例16]α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 16] Effect of adding 20 mol% DNA on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing α-cyano-4-hydroxycinnamate (CNME) with sodium and aniline. [実施例17]4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 17] Effect of adding 20 mol% DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), sodium, and aniline. [実施例18]4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)にナトリウムとアニリンを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける20モル%のDAN添加の効果。[Example 18] Effect of adding 20 mol% DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), sodium, and aniline. [実施例19]3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)にナトリウムを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるN-結合型糖鎖の直接解析の可能性。[Example 19] Possibility of direct analysis of N-linked glycans in the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing sodium in 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA). [比較例1~4]3,5-ジアミノ安息香酸(DABA)を含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおける、(a)DABA単独と、(b)ナトリウム添加;(c)ナトリウムおよびDAN添加;(d)ナトリウムおよびDHB添加の効果。[Comparative Examples 1 to 4] In reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing 3,5-diaminobenzoic acid (DABA), the effects of (a) DABA alone, (b) the addition of sodium, (c) the addition of sodium and DABA, and (d) the addition of sodium and DHB on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B. [実施例20]3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)にナトリウムを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象豚胃ムチンの分解由来スペクトルパターンにおけるO-結合型糖鎖の直接解析の可能性。[Example 20] Possibility of direct analysis of O-linked glycans in the spectral pattern derived from the decomposition of the target porcine stomach mucin in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing sodium in 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA).

本発明の第1の態様において、MALDI-TOFMS分析において高分子量複合糖質の糖鎖断片選択的解析を実現するマトリックス系とその組成が提供される。
本発明のマトリックス系は、MALDI-TOFMS分析において高分子量複合糖質の糖鎖断片選択的解析を実現するために、マトリックスとして、MALDI法でマトリックスとして常用される酸性分子(2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、およびCHCA誘導体である4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、ピコリン酸(PA))と、共役酸がpKa4.0~5.0を示す芳香族性塩基性分子(アニリン、N-メチルアニリン(NMA)、およびN,N-ジメチルアニリン(DMA))よりなる群から選択されるアニリン誘導体(以下、アニリンも含み、総括的に「アニリン誘導体」と呼ぶもしくは3-アミノキノリン(3AQ)から選択されるアミノピリジン誘導体)または共役酸がpKa4.0~5.0を示すヒドロキシルアミン型塩基性分子(O-ベンジルヒドロキシルアミン(BOA))よりなる群から選択されるアミノオキシ基含有芳香族誘導体と、インソースおよびポストソース分解を促進する1,5-ジアミノナフタレン(DAN)、また、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンよりなる群から選択されるアルカリ金属イオンと、を含有するマトリックス組成物である。
In a first aspect of the present invention, a matrix system and its composition are provided that realizes selective analysis of glycan fragments of high molecular weight glycoconjugates in MALDI-TOFMS analysis.
The matrix system of the present invention is intended to realize selective analysis of glycan fragments of high molecular weight complex carbohydrates in MALDI-TOFMS analysis, and is composed of acidic molecules commonly used as matrices in the MALDI method (2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), and CHCA derivatives such as 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid methyl ester (CNME), 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), and picolinic acid (PA)) and aromatic basic molecules whose conjugate acids show a pKa of 4.0 to 5.0 (aniline, N-methylaniline (NMA), and and N,N-dimethylaniline (DMA)) or an aminooxy group-containing aromatic derivative selected from the group consisting of aniline derivatives (hereinafter, including aniline, collectively referred to as "aniline derivatives" or an aminopyridine derivative selected from 3-aminoquinoline (3AQ)) or a hydroxylamine-type basic molecule (O-benzylhydroxylamine (BOA)) whose conjugate acid shows a pKa of 4.0 to 5.0; 1,5-diaminonaphthalene (DAN) that promotes in-source and post-source decomposition; and an alkali metal ion selected from the group consisting of lithium ion, sodium ion, potassium ion, rubidium ion, and cesium ion.

前記組成物において、DHBと混合したときにDHBの結晶成長を抑制して均一なマトリックス層を形成し、MALDI-TOFMSスペクトルのバックグラウンドノイズを低減することから、上記の芳香族性塩基性分子を用いる。The above aromatic basic molecules are used in the composition because, when mixed with DHB, they suppress the crystal growth of DHB, form a uniform matrix layer, and reduce background noise in the MALDI-TOFMS spectrum.

前記組成物において、芳香族性塩基性分子の添加量は、DHB等の酸性分子成分に対して10モル%以上添加することが好ましく、DHB等の酸性分子成分に対して等モル量以上(100モル%以上)添加することがより好ましい。本発明において、芳香族性塩基性分子の過剰添加は本発明の効果に影響を及ぼさないが、過剰芳香族性塩基性分子の揮発過程において、大過剰の芳香族性塩基性分子が存在すると、高真空装置内での測定までの濃縮工程を遅延させることから、芳香族性塩基性分子の添加量はDHBに対して小過剰(好ましくは150モル%以下、より好ましくは120モル%以下)に留めることが望ましい。In the composition, the amount of aromatic basic molecule added is preferably 10 mol% or more relative to the acidic molecular component such as DHB, and more preferably an equimolar amount or more (100 mol% or more) relative to the acidic molecular component such as DHB. In the present invention, excessive addition of aromatic basic molecule does not affect the effect of the present invention, but if a large excess of aromatic basic molecule is present during the volatilization process of the excess aromatic basic molecule, the concentration process up to the measurement in the high vacuum device will be delayed, so it is desirable to keep the amount of aromatic basic molecule added to DHB in small excess (preferably 150 mol% or less, more preferably 120 mol% or less).

前記組成物において、1,5-ジアミノナフタレン(DAN)の添加は必須ではないが、インソースおよびポストソース分解を促進し、糖鎖断片の内部構造の探索が容易となる。DANの添加量は芳香族性塩基性分子を任意の比率で置き換えてよく、DHB等の酸性分子成分に対して100モル%以内で添加することが好ましく、DHB等の酸性分子成分に対して60モル%以内を添加することがより好ましい。 The addition of 1,5-diaminonaphthalene (DAN) to the composition is not essential, but it promotes in-source and post-source degradation, making it easier to explore the internal structure of glycan fragments. The amount of DAN added can replace aromatic basic molecules at any ratio, and it is preferable to add up to 100 mol% of the acidic molecular components such as DHB, and more preferably up to 60 mol% of the acidic molecular components such as DHB.

前記組成物において、レーザー照射下で安定であり、腐食性が低く、かつ、マトリックスに添加した際に対イオンおよび付加イオンとして気化しやすいことから、上記のアルカリ金属イオンを用いる。限定されないが、上記のアルカリ金属イオンの源として、炭酸、炭酸水素、塩酸、酢酸などのリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムの塩が好適に用いられる。In the composition, the above alkali metal ions are used because they are stable under laser irradiation, have low corrosiveness, and are easily vaporized as counter ions and adduct ions when added to a matrix. Although not limited thereto, salts of lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium, such as carbonate, bicarbonate, hydrochloric acid, and acetate, are preferably used as sources of the above alkali metal ions.

前記組成物において、アルカリ金属イオンの添加量は、DHB等の酸性分子成分に対して0.1~50モル%であり、0.5~20モル%が好ましく、1~15モル%がより好ましい。本発明において、芳香族性塩基性分子の添加に伴い糖鎖断片成分のイオン化が促進されるが、アルカリ金属イオンを添加しなければ、糖鎖断片以外の成分のイオン化も起こり、多数の金属イオン付加ピークと共に、複数のアグリコン由来フラグメントピークが発生する。アルカリ金属イオンの添加量が1モル%になるとアグリコン由来フラグメントピークが著しく減少し、添加量が2モル%以上では、それ以上の抑制効果は発揮されず、25モル%を超えると、ピーク強度が低下し始めるからである。また、芳香族性塩基性分子と共にDANを添加した場合はアルカリ金属イオンは必須ではないが、0.1~20モル%が好ましく、1~15モル%がより好ましい。In the composition, the amount of alkali metal ions added is 0.1 to 50 mol% relative to the acidic molecular components such as DHB, preferably 0.5 to 20 mol%, and more preferably 1 to 15 mol%. In the present invention, the addition of aromatic basic molecules promotes the ionization of glycan fragment components, but if alkali metal ions are not added, ionization of components other than glycan fragments also occurs, and multiple aglycon-derived fragment peaks are generated along with multiple metal ion adduct peaks. When the amount of alkali metal ions added is 1 mol%, the aglycon-derived fragment peaks are significantly reduced, and when the amount is 2 mol% or more, no further suppression effect is exerted, and when the amount exceeds 25 mol%, the peak intensity begins to decrease. In addition, when DAN is added together with aromatic basic molecules, alkali metal ions are not essential, but 0.1 to 20 mol% is preferable, and 1 to 15 mol% is more preferable.

本発明の第2の態様において、高分子量複合糖質の糖鎖断片選択的解析を実現するMALDI-TOF質量分析法が提供される。
本発明によるMALDI-TOF質量分析法は、本発明による固体マトリックス系を使用する。より詳しくは、DHB等のMALDI法に一般的に使用される酸性マトリックス分子に対して小過剰量の芳香族性塩基性分子を添加した混合物に、限定されないが、炭酸水素ナトリウムなどのアルカリ金属イオン源を添加して調製された固体マトリックス組成物の水性溶液を、ターゲットプレート上にスポットし、乾燥させて、その少なくとも一部にマトリックス層を形成する。マトリックス層上に、分析対象の水溶液を堆積し乾燥して分析対象の測定サンプルを作成する。
本発明において、表面上に1以上の親水性パッチ(アンカー)を有する撥液性被膜が形成されたプレートが有用である(例えば、AnchorChipTM (Bruker Daltonics, Bremen, Germany))。「撥液性」とは、水のみならず、アルコール、アセトニトリル、さらにはアセトンを包含するほとんどの有機溶媒に対しても濡れ性が低いことをいう。
In a second aspect of the present invention, there is provided a MALDI-TOF mass spectrometry method that realizes selective analysis of glycan fragments of high molecular weight glycoconjugates.
The MALDI-TOF mass spectrometry method according to the present invention uses the solid matrix system according to the present invention. More specifically, an aqueous solution of a solid matrix composition prepared by adding an alkali metal ion source such as, but not limited to, sodium bicarbonate to a mixture of an aromatic basic molecule in small excess relative to an acidic matrix molecule commonly used in MALDI methods such as DHB is spotted on a target plate and dried to form a matrix layer on at least a portion of the target plate. An aqueous solution of the analyte is deposited on the matrix layer and dried to prepare a measurement sample of the analyte.
In the present invention, a plate having a liquid-repellent coating formed on its surface having one or more hydrophilic patches (anchors) is useful (e.g., AnchorChip (Bruker Daltonics, Bremen, Germany)). "Liquid-repellent" refers to low wettability not only with water, but also with most organic solvents including alcohol, acetonitrile, and even acetone.

得られた測定サンプルをMALDI-TOF 質量分析装置(例えば、Ultraflex III MALDI-TOF/TOF質量分析装置 (Bruker Daltonics GmbH; Bremen, Germany))を用いて、インソース分解(ISD)またはポストソース分解(PSD)で選択的に生じた糖鎖断片イオンを標的としたMALDI-TOFMSを行う。本発明の方法は、特に、より高精度な分析が可能なリフレクトロンモードを用いる測定に有用である。The obtained measurement sample is subjected to MALDI-TOF mass spectrometry (e.g., Ultraflex III MALDI-TOF/TOF mass spectrometer (Bruker Daltonics GmbH; Bremen, Germany)) to perform MALDI-TOFMS targeting glycan fragment ions selectively generated by in-source decay (ISD) or post-source decay (PSD). The method of the present invention is particularly useful for measurements using the reflectron mode, which enables more precise analysis.

本発明の第3の態様において、第2の態様を利用し、さらに、高分子量複合糖質のインソース分解(ISD)で選択的に生じた糖鎖断片イオンを標的としたMALDI-TOF/TOF 質量分析法が提供される。
本発明によるMALDI-TOF/TOF質量分析法は、本発明によるマトリックス系を使用する。時限イオンゲートにより分析対象となる糖鎖断片イオンを親イオンとして選択し、LIFT-TOF/TOF解析を行う。
In a third aspect of the present invention, there is provided a MALDI-TOF/TOF mass spectrometry method utilizing the second aspect and further targeting glycan fragment ions selectively generated by in-source decay (ISD) of high molecular weight glycoconjugates.
The MALDI-TOF/TOF mass spectrometry according to the present invention uses the matrix system according to the present invention. A glycan fragment ion to be analyzed is selected as a parent ion by a timed ion gate, and LIFT-TOF/TOF analysis is performed.

マトリックス組成物を調製するために用いた化合物を図2~5に示す。従来のMALDI法でマトリックスとして常用される酸性分子として2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、およびCHCA誘導体である4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、ピコリン酸(PA)を用いた。アリールアミン型の塩基性物質として、アニリン、アニリン誘導体であるN-メチルアニリン(NMA)およびN,N-ジメチルアニリン(DMA)、アミノピリジン誘導体である3-アミノキノリン(3AQ)、ならびにアミノオキシ基含有芳香族誘導体であるO-ベンジルヒドロキシルアミンを用いた。また、1分子内にカルボキシル基、水酸基およびアミノ基を有する芳香族両性分子として3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)を用い、比較のため、1分子内にカルボキシル基および2個のアミノ基を有し、水酸基を有さない芳香族両性分子として3,5-ジアミノ安息香酸(DABA)を用いた。1価金属イオン源として、炭酸水素ナトリウムを用いた。さらに、糖鎖フラグメント化促進剤として、1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を用いた。The compounds used to prepare the matrix compositions are shown in Figures 2 to 5. As acidic molecules commonly used as matrices in conventional MALDI methods, 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), and CHCA derivatives 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid methyl ester (CNME), 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), and picolinic acid (PA) were used. As arylamine-type basic substances, aniline, aniline derivatives N-methylaniline (NMA) and N,N-dimethylaniline (DMA), aminopyridine derivative 3-aminoquinoline (3AQ), and aminooxy group-containing aromatic derivative O-benzylhydroxylamine were used. In addition, 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA) was used as an aromatic amphoteric molecule having a carboxyl group, a hydroxyl group, and an amino group in one molecule, and for comparison, 3,5-diaminobenzoic acid (DABA) was used as an aromatic amphoteric molecule having a carboxyl group and two amino groups in one molecule but no hydroxyl group. Sodium bicarbonate was used as a monovalent metal ion source. Furthermore, 1,5-diaminonaphthalene (DAN) was used as a glycan fragmentation promoter.

分析対象として、リボ核酸を分解してオリゴヌクレオチドあるいはモノヌクレオチドにする反応を触媒する酵素であるリボヌクレアーゼB(RNase B)を用いた。RNase Bに結合する糖鎖は、N-アセチルグルコサミン(GlcNAc)およびマンノース(mannose)から構成される(図6g-1)。さらに、タンパク質混合物であるウズラ卵白(図6g-2)を用いた。また、高分子量糖脂質として、グラム陰性菌である大腸菌O157およびO6由来のリポ多糖(図6g-3)を用いた。The subject of analysis was ribonuclease B (RNase B), an enzyme that catalyzes the reaction of decomposing ribonucleic acid into oligonucleotides or mononucleotides. The glycan that binds to RNase B is composed of N-acetylglucosamine (GlcNAc) and mannose (Fig. 6g-1). In addition, quail egg white, a protein mixture, was used (Fig. 6g-2). Furthermore, lipopolysaccharides derived from Escherichia coli O157 and O6, which are gram-negative bacteria, were used as high molecular weight glycolipids (Fig. 6g-3).

RNase BはSigma-Aldrich Corp.(St. Louis, MO, USA)から購入した。ウズラ卵白は量販店で購入した室蘭ウズラ園で生産された食用卵から卵白を分離し使用した。大腸菌O157由来リポポリサッカリド(超遠心品)は、富士フィルム和光純薬株式会社から購入した。2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、および3-アミノキノリン(3AQ)は東京化成工業株式会社(Tokyo, Japan)から購入した。2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CAME)、ピコリン酸(PA)、1,5-ジアミノナフタレン(DAN)はSigma-Aldrich Corp.(St. Louis, MO, USA)から購入した。アセトニトリル、アニリン、および炭酸水素ナトリウムは、和光純薬(Osaka, Japan)から購入した。O-ベンジルヒドロキシルアミン(BOA)は、和光純薬(Osaka, Japan)から購入した。
大腸菌O6(ATCC 25922, 血清型O6:K1)および大腸菌O157(ATCC 43888, 血清型O157:H7)は、それぞれMicrobiologics社から標準菌株を購入した。
RNase B was purchased from Sigma-Aldrich Corp. (St. Louis, MO, USA). Quail egg white was separated from eggs produced at the Muroran Quail Farm, purchased from a mass retailer. Lipopolysaccharide derived from Escherichia coli O157 (ultracentrifuged product) was purchased from Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP) and 3-aminoquinoline (3AQ) were purchased from Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Tokyo, Japan). 2,5-Dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid methyl ester (CAME), picolinic acid (PA), and 1,5-diaminonaphthalene (DAN) were purchased from Sigma-Aldrich Corp. (St. Louis, MO, USA). Acetonitrile, aniline, and sodium bicarbonate were purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan). O-benzylhydroxylamine (BOA) was purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan).
Standard strains of E. coli O6 (ATCC 25922, serotype O6:K1) and E. coli O157 (ATCC 43888, serotype O157:H7) were purchased from Microbiologics.

[MALDI-MS分析]
最大出力30 mWの200 Hz スマートビーム Nd:YAG UV レーザー (355 nm)を備えたUltraflex III MALDI-TOF/TOF質量分析装置 (Bruker Daltonics GmbH; Bremen, Germany)をリフレクトロンモードで使用した。ターゲットプレート上のスポット位置はオートティーチング機能を使用して較正した。すべてのサンプルの質量スペクトルは、200 Hzのレーザー周波数でのシューティングポジションパターンのランダムウォークモードで500回のレーザーショットで、リフレクトロンモードにつきm/z 700~5000の範囲で取得した。校正用の外部標準としてBrukerペプチド較正標準IIを使用した。上記以外、サンプルポジションとレーザー出力は、FlexControl 3.5ソフトウェアを使用して用意されたデフォルト設定を採用した。
[MALDI-MS analysis]
An Ultraflex III MALDI-TOF/TOF mass spectrometer (Bruker Daltonics GmbH; Bremen, Germany) equipped with a 200 Hz smart beam Nd:YAG UV laser (355 nm) with a maximum power of 30 mW was used in reflectron mode. The spot positions on the target plate were calibrated using the autoteaching function. Mass spectra of all samples were acquired in the range of m/z 700–5000 for reflectron mode with 500 laser shots in random walk mode with a shooting position pattern at a laser frequency of 200 Hz. Bruker peptide calibration standard II was used as an external standard for calibration. Otherwise, the sample positions and laser powers were taken with the default settings prepared using FlexControl 3.5 software.

通常、MALDI-TOF質量分析ではレーザー強度の増大に伴い、生成した分子イオンの内部結合が開裂したフラグメントイオンが生じる。それは、CHCAよりも分解されにくく、ソフトなイオン化が可能である「クールな」DHBマトリックスを用いても、インソース分解(ISD)および/またはポストソース分解 (PSD)と呼ばれる骨格フラグメント化をもたらす。In MALDI-TOF mass spectrometry, as the laser intensity increases, fragment ions are generated by cleavage of the internal bonds of the generated molecular ions. This leads to backbone fragmentation, called in-source decay (ISD) and/or post-source decay (PSD), even when using the "cool" DHB matrix, which is less likely to decompose than CHCA and allows for soft ionization.

インソース分解 (ISD)とは、イオン化室で、イオン化と同時または直後に分析対象が開裂する分解現象であり、ポストソース分解 (PSD)とは、イオン化後に、ドリフト空間で、イオン自体の内部エネルギーや残留ガスとの衝突などによる励起による分解現象である。
ISDやPSDに起因する分析対象の開裂は分子内の複数の箇所で起こるため、様々なフラグメントイオンが生じる。イオンの内部エネルギーは照射したレーザー出力に依存するため、レーザー出力の増大に対して、開裂箇所毎に、フラグメントの生成量の増加度合いが異なることが知られている。したがって、同一分析対象について複数のレーザー出力にて測定を行うと、得られる質量スペクトルが変化する。複数の質量スペクトルのうち、低出力から高出力まで共通して観察されるピークを基準として、他のスペクトルの相対強度比を解析すれば、分析対象の構造解析が可能となる。
In-source decay (ISD) is a decomposition phenomenon in which the analyte fragments in the ionization chamber simultaneously with or immediately after ionization, while post-source decay (PSD) is a decomposition phenomenon that occurs in the drift space after ionization due to excitation caused by the internal energy of the ion itself or collisions with residual gas.
Cleavage of the analyte due to ISD or PSD occurs at multiple locations within the molecule, resulting in the generation of various fragment ions. Since the internal energy of the ion depends on the power of the irradiated laser, it is known that the degree of increase in the amount of fragments generated varies for each cleavage location in response to an increase in laser power. Therefore, when measurements are performed on the same analyte using multiple laser powers, the resulting mass spectrum changes. By analyzing the relative intensity ratio of the other spectra using a peak that is commonly observed from low power to high power among multiple mass spectra as a standard, it is possible to analyze the structure of the analyte.

[実施例1]
マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOFMSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンを評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液(60 μL)および水中0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)をCH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量して、Na+イオン添加マトリックス組成物1を調製した。
マトリックス組成物1を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、還元末端GlcNAc残基の2,4A7-型交差環開裂からなる糖鎖フラグメントパターンが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。
本発明によるマトリックス組成物を用いれば、糖ペプチドのみならず、より分子量が大きく複雑構造を有する糖タンパク質も、糖鎖の切り出しや修飾することなく、直接解析できることが示された。
[Example 1]
The spectral pattern resulting from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in a reflectron mode MALDI-TOFMS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline).
First, Na+ ion-added matrix composition 1 was prepared by increasing the volume of 0.5 M DHB ( 100 μL) in CH3CN / H2O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (60 μL) in CH3CN , and 0.1 M sodium bicarbonate in water (50 μL) to 1 mL with CH3CN / H2O (50:50, v/v).
When the glycoprotein RNase B was analyzed using matrix composition 1 at a laser intensity of 80%, a glycan fragmentation pattern consisting of 2,4 A 7 -type cross-ring cleavage of the reducing end GlcNAc residue was observed, without the generation of peptide fragments.
It was shown that by using the matrix composition according to the present invention, not only glycopeptides but also glycoproteins having larger molecular weights and complex structures can be directly analyzed without cleavage or modification of the glycans.

[実施例1-2]
マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるLIFT-TOF/TOF MSモードにおいて、分析対象RNase B由来のTOF/TOF分解パターンを評価した。
RNase B糖鎖の還元末端GlcNAc残基の2,4A7-型交差環開裂からなる糖鎖フラグメントピークのPSDプロセスに焦点を合わせるために、分子量1096を親イオンピークとして選択しLIFTセル中でさらなるイオン加速を行い(フラグメントモード)、解析すると、主に還元末端側GlcNAc残基のフラグメントパターンが観察された。
本発明によるマトリックス組成物を用いれば、糖ペプチドのみならず、より分子量が大きく複雑構造を有する糖タンパク質も、糖鎖の切り出しや修飾することなく、糖鎖成分の直接解析できることが示された。
[Example 1-2]
The TOF/TOF degradation pattern from the analyte RNase B was evaluated in the LIFT-TOF/TOF MS mode using matrix composition 1 (DHBNa-aniline).
To focus on the PSD process of the glycan fragment peak consisting of 2,4 A 7 -type cross-ring cleavage of the reducing end GlcNAc residue of the RNase B glycan, a molecular weight of 1096 was selected as the parent ion peak and further ion acceleration was performed in the LIFT cell (fragment mode). The fragmentation pattern of the reducing end GlcNAc residue was mainly observed.
It has been shown that by using the matrix composition according to the present invention, it is possible to directly analyze the glycan components of not only glycopeptides but also glycoproteins with larger molecular weights and complex structures without excising or modifying the glycans.

[実施例2]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOFMSFにおいて、分析対象RNase Bの分解パターンを評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液(50 μL)、CH3CN中中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン(10 μL)および水中0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)をCH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量して、Na+イオン添加マトリックス組成物2を調製した。
マトリックス組成物2は、マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)に1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を添加したものである。DANを含有するマトリックス組成物を用いると、直接糖鎖解析の感度および分解能が向上した。これは、DANが糖選択的イオン化能を損なうことなく、糖鎖のフラグメント化を促進しているからと考えられる。
[Example 2]
The degradation pattern of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MSF using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN).
First, Na+ ion-added matrix composition 2 was prepared by increasing the volume of 0.5 M DHB (100 μL) in CH3CN / H2O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH3CN , 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene (10 μL) in CH3CN , and 0.1 M sodium bicarbonate in water (50 μL) to 1 mL with CH3CN / H2O (50:50, v/v).
Matrix composition 2 is prepared by adding 1,5-diaminonaphthalene (DAN) to matrix composition 1 (DHBNa-aniline). When a matrix composition containing DAN was used, the sensitivity and resolution of direct glycan analysis were improved. This is thought to be because DAN promotes the fragmentation of glycans without impairing the sugar-selective ionization ability.

[実施例2-2]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるLIFT-TOF/TOF MSモードにおいて、分析対象RNase B由来のTOF/TOF分解パターンを評価した。
RNase B糖鎖の還元末端GlcNAc残基の2,4A7-型交差環開裂からなる糖鎖フラグメントピークのPSDプロセスに焦点を合わせるために、分子量1096を親イオンピークとして選択しLIFTセル中でさらなるイオン加速を行い(フラグメントモード)、解析すると、主に還元末端側GlcNAc残基のフラグメントパターンが観察された。
本発明によるマトリックス組成物を用いれば、分子量が大きく複雑構造を有する糖タンパク質を、糖鎖の切り出しや修飾することなく、糖鎖成分の直接解析できることが示された。
[Example 2-2]
The TOF/TOF degradation pattern from the analyte RNase B was evaluated in the LIFT-TOF/TOF MS mode using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN).
To focus on the PSD process of the glycan fragment peak consisting of 2,4 A 7 -type cross-ring cleavage of the reducing end GlcNAc residue of the RNase B glycan, a molecular weight of 1096 was selected as the parent ion peak and further ion acceleration was performed in the LIFT cell (fragment mode). The fragmentation pattern of the reducing end GlcNAc residue was mainly observed.
It was shown that by using the matrix composition according to the present invention, it is possible to directly analyze the glycan components of glycoproteins having large molecular weights and complex structures without excising or modifying the glycans.

[実施例3]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象ウズラ卵白(糖タンパク質混合物)の分解パターンを評価した。
本発明によるDANを含有するマトリックス組成物を用いると、高い感度および分解能で、直接糖鎖解析が達成された。
本発明によるマトリックス組成物を用いれば、精製された糖タンパク質のみならず、複雑な組成物である糖タンパク質の混合物であっても、糖鎖の切り出しや修飾することなく、糖鎖成分の直接解析できることが示された。
[Example 3]
The degradation pattern of the analyte quail egg white (a glycoprotein mixture) was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN).
By using the matrix composition containing DNA according to the present invention, direct glycan analysis was achieved with high sensitivity and resolution.
It has been shown that by using the matrix composition according to the present invention, it is possible to directly analyze glycan components not only of purified glycoproteins but also of mixtures of glycoproteins, which are complex compositions, without excision or modification of the glycans.

[実施例4]
マトリックス組成物3(CHANa-3AQ)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解パターンを評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)、CH3CN中1.0 M 3-アミノキノリン溶液(60 μL)および水中0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)をCH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量して、マトリックス組成物3を調製した。
このマトリックス組成は、糖タンパク質であるRNase Bの糖鎖由来フラグメントが選択的にイオン化され、糖鎖成分を直接解析することができた。
[Example 4]
The degradation pattern of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 3 (CHANa-3AQ).
First, matrix composition 3 was prepared by increasing the volume of 0.5 M DHB (100 μL) in CH3CN / H2O (90:10, v/v), 1.0 M 3-aminoquinoline solution (60 μL) in CH3CN , and 0.1 M sodium bicarbonate in water (50 μL) to 1 mL with CH3CN / H2O (50:50, v/v).
This matrix composition selectively ionized the glycan-derived fragments of the glycoprotein RNase B, enabling direct analysis of glycan components.

[実施例5]
マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターンを評価した。
マトリックス組成物1を用いてレーザー強度80%にてO157由来リポ多糖を解析すると、O157の特徴であるO-抗原4糖由来の糖鎖フラグメント周期が観察され、LipidAおよび夾雑ペプチド由来のフラグメントは生成しなかった。
本発明によるマトリックス組成物を用いれば、糖タンパク質のみならず、より糖鎖成分の分子量が大きく複雑構造を有する糖脂質の一種であるリポ多糖も、糖鎖の切り出しや修飾することなく、糖鎖成分の繰り返し構造を直接解析できることが示された。
[Example 5]
The degradation pattern of the O157-derived lipopolysaccharide to be analyzed was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline).
When O157-derived lipopolysaccharide was analyzed using matrix composition 1 at a laser intensity of 80%, a glycan fragment cycle derived from the O-antigen tetrasaccharide, which is characteristic of O157, was observed, and no fragments derived from Lipid A or impurity peptides were generated.
It was shown that by using the matrix composition of the present invention, it is possible to directly analyze the repeating structures of glycan components not only of glycoproteins but also of lipopolysaccharides, a type of glycolipid whose glycan components have a large molecular weight and a complex structure, without excising or modifying the glycans.

[実施例5-2]
マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターンを評価した。O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列単位のPSDプロセスに焦点を合わせるために、O157抗原糖鎖配列単位のナトリウム付加イオンに相当する分子量721を親イオンピークとして選択しLIFTセル中でさらなるイオン加速を行い(フラグメントモード)、解析すると、O157抗原糖鎖を構成する4糖単位のフラグメントパターンが観察された。
[Example 5-2]
The internal structural pattern of the O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide was evaluated in LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 1 (DHBNa-aniline). To focus on the PSD process of the O-antigen repeating glycan sequence unit in O157-derived lipopolysaccharide, a molecular weight of 721, which corresponds to the sodium adduct ion of the O157 antigen glycan sequence unit, was selected as the parent ion peak and further ion acceleration was performed in the LIFT cell (fragment mode), and the fragment pattern of the 4 sugar units that constitute the O157 antigen glycan was observed.

[実施例6]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターンを評価した。
マトリックス組成物2を用いてレーザー強度80%にてO157由来リポ多糖を解析すると、O157の特徴であるO-抗原4糖由来の糖鎖フラグメント周期が観察され、LipidAおよび夾雑ペプチド由来のフラグメントは生成しなかった。
マトリックス組成物2は、マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)に1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を添加したものである。DANを含有するマトリックス組成物を用いると、直接糖鎖解析の感度および分解能が向上した。これは、DANが糖選択的イオン化能を損なうことなく、糖鎖のフラグメント化を促進しているからと考えられる。
[Example 6]
The degradation pattern of the target O157-derived lipopolysaccharide was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN).
When O157-derived lipopolysaccharide was analyzed using matrix composition 2 at a laser intensity of 80%, a glycan fragment cycle derived from the O-antigen tetrasaccharide, which is characteristic of O157, was observed, and no fragments derived from Lipid A or impurity peptides were generated.
Matrix composition 2 is prepared by adding 1,5-diaminonaphthalene (DAN) to matrix composition 1 (DHBNa-aniline). When a matrix composition containing DAN was used, the sensitivity and resolution of direct glycan analysis were improved. This is thought to be because DAN promotes the fragmentation of glycans without impairing the sugar-selective ionization ability.

[実施例6-2]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターンを評価した。
O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列単位のPSDプロセスに焦点を合わせるために、O157抗原糖鎖配列単位のナトリウム付加イオンに相当する分子量721を親イオンピークとして選択しLIFTセル中でさらなるイオン加速を行い(フラグメントモード)、解析すると、O157抗原糖鎖を構成する4糖単位のフラグメントパターンが観察された。
[Example 6-2]
The internal structural pattern of the O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide was evaluated in the LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 2 (DHBNa-aniline + DAN).
To focus on the PSD process of the O-antigen repeating glycan sequence unit in O157-derived lipopolysaccharide, a molecular weight of 721, which corresponds to the sodium adduct ion of the O157 antigen glycan sequence unit, was selected as the parent ion peak and subjected to further ion acceleration in the LIFT cell (fragment mode) and analyzed, and the fragment pattern of the 4 sugar units that constitute the O157 antigen glycan was observed.

[実施例7]
マトリックス組成物4(DHBNa-BOA)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象O157由来リポ多糖の分解パターンを評価した。
マトリックス組成物4を用いてレーザー強度80%にてO157由来リポ多糖を解析すると、O157の特徴であるO-抗原4糖由来の糖鎖フラグメント周期が観察され、LipidAおよび夾雑ペプチド由来のフラグメントは生成しなかった。
マトリックス組成物4は、マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)のアニリンの代わりにO-ベンジルヒドロキシルアミン(BOA)を添加したものである。BOAを含有するマトリックス組成物を用いると、直接糖鎖解析の感度および分解能が向上した。一方、比較的分子量の大きいフラグメントパターンまで観察されたことからアニリン誘導体およびDANと比較するとフラグメント化促進能が低減されていることが示された。
[Example 7]
The degradation pattern of the O157-derived lipopolysaccharide to be analyzed was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 4 (DHBNa-BOA).
When O157-derived lipopolysaccharide was analyzed using matrix composition 4 at a laser intensity of 80%, a glycan fragment cycle derived from the O-antigen tetrasaccharide, which is characteristic of O157, was observed, and no fragments derived from Lipid A or impurity peptides were generated.
Matrix composition 4 is a matrix composition in which O-benzylhydroxylamine (BOA) was added instead of aniline in matrix composition 1 (DHBNa-aniline). When a matrix composition containing BOA was used, the sensitivity and resolution of direct glycan analysis were improved. On the other hand, fragment patterns with relatively large molecular weights were observed, indicating that the fragmentation-promoting ability was reduced compared to aniline derivatives and DAN.

[実施例7-2]
マトリックス組成物4(DHBNa-BOA)を用いるLIFT-TOF/TOFモードにおいて、分析対象O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターンを評価した。
O157由来リポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列単位のPSDプロセスに焦点を合わせるために、O157抗原糖鎖配列単位のナトリウム付加イオンに相当する分子量721を親イオンピークとして選択しLIFTセル中でさらなるイオン加速を行い(フラグメントモード)、解析すると、O157抗原糖鎖を構成する4糖単位のフラグメントパターンが観察された。
[Example 7-2]
The internal structural pattern of the O-antigen repeating glycan sequence in the analyzed O157-derived lipopolysaccharide was evaluated in the LIFT-TOF/TOF mode using matrix composition 4 (DHBNa-BOA).
To focus on the PSD process of the O-antigen repeating glycan sequence unit in O157-derived lipopolysaccharide, a molecular weight of 721, which corresponds to the sodium adduct ion of the O157 antigen glycan sequence unit, was selected as the parent ion peak and subjected to further ion acceleration in the LIFT cell (fragment mode) and analyzed, and the fragment pattern of the 4 sugar units that constitute the O157 antigen glycan was observed.

[実施例8]
実施例5~7において、本発明の方法を用いれば、菌体由来のO抗原を含むリポ多糖を検出できることが確認されたので、次に、グラム陰性菌である大腸菌のコロニーから菌体表面のリポ多糖内のO-抗原繰り返し糖鎖配列の内部構造パターンを評価した。
まず、血清型の異なる、2種の大腸菌の菌株O6(ATCC25922, 血清型O6:K1)およびベロ毒素非産生菌株O157(ATCC43888、血清型O157:H7)をそれぞれ寒天培地上で培養した。白金耳を用いて生成したコロニーをそれぞれエッペンドルフチューブに採取した。菌体を採取したチューブに水の添加と攪拌、および10000Gでの遠心分離を2回繰り返し、洗浄した。洗浄した菌体の一部を250 mM塩酸に懸濁し、90℃で30分間静置したのち、20000Gで遠心分離した。上清1 μLを乾固したのち、マトリックス組成物5(DHBNa-DAN)を添加しリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて測定したところ、O6 (ATCC25922)の菌体処理上清からはO6抗原を示し、O157 (ATCC43888)の菌体処理上清からはO157抗原を示すフラグメントパターンが観察された。
本発明によれば、簡便な操作で、グラム陰性菌のリポ多糖がLipid AとO抗原との間に有するKDO(2-ケト-3-デオキシオクトン酸)配列を酸処理で切断し、切り出したO抗原の配列パターンを同定することができた。各菌体に対するO抗原のフラグメントパターンのライブラリーに基づき、菌体の種類およびその菌株まで識別できるようになった。
[Example 8]
In Examples 5 to 7, it was confirmed that the method of the present invention can detect lipopolysaccharide containing bacterial O antigens. Next, the internal structural pattern of the O-antigen repeating glycan sequence in the lipopolysaccharide on the bacterial surface of colonies of Escherichia coli, a gram-negative bacterium, was evaluated.
First, two different serotypes of E. coli strains, O6 (ATCC25922, serotype O6:K1) and a non-verotoxin-producing strain O157 (ATCC43888, serotype O157:H7), were cultured on agar media. The resulting colonies were collected into Eppendorf tubes using a platinum loop. The tubes containing the collected bacterial cells were washed by adding water, stirring, and centrifuging at 10,000G twice. A portion of the washed bacterial cells was suspended in 250 mM hydrochloric acid, left to stand at 90°C for 30 minutes, and then centrifuged at 20,000G. After drying 1 μL of the supernatant, matrix composition 5 (DHBNa-DAN) was added and measurement was performed using reflectron mode MALDI-TOF MS. The supernatant from the treatment of O6 (ATCC25922) cells showed the O6 antigen, and the supernatant from the treatment of O157 (ATCC43888) cells showed a fragment pattern indicating the O157 antigen.
According to the present invention, it is possible to easily cleave the KDO (2-keto-3-deoxyoctanoic acid) sequence present between Lipid A and O antigen of gram-negative bacteria by acid treatment and identify the sequence pattern of the excised O antigen. Based on the library of fragment patterns of O antigen for each bacterial cell, it is now possible to identify the type of bacterial cell and even its strain.

[実施例9]
マトリックス組成物1(DHBNa-アニリン)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)およびCH3CN中1.0 Mアニリン溶液(60 μL)の混合物に、容量の異なる0.1 M炭酸水素ナトリウム (0~50 μL)水溶液を加えた後、1 mLに増量して、Na+イオン添加量の異なるマトリックス組成物1関連マトリックス溶液を調製した。
このNa+イオン添加量の異なるマトリックス組成物1関連マトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、ナトリウム添加量の増加に伴いペプチドフラグメント由来イオンピークが抑制され、3%以上では検出されなくなった。一方、ナトリウム添加量の増加に伴い糖鎖成分由来のピーク感度が上昇し、DHBに対し4%以上のナトリウム濃度ではピークパターンの変化は生じなかった。
[Example 9]
The effect of the amount of added sodium on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 1 (DHBNa-aniline).
First, different volumes of 0.1 M aqueous sodium bicarbonate (0–50 μL) were added to a mixture of 0.5 M DHB (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v) and 1.0 M aniline solution (60 μL) in CH 3 CN, and then the volume was increased to 1 mL to prepare matrix solutions related to matrix composition 1 with different amounts of Na + ions added.
When the glycoprotein RNase B was analyzed at 80% laser intensity using matrix solutions related to matrix composition 1 with different amounts of added Na + ions, the ion peaks derived from peptide fragments were suppressed with increasing amounts of added sodium, and were no longer detectable at 3% or more. On the other hand, the peak sensitivity derived from glycan components increased with increasing amounts of added sodium, and no change occurred in the peak pattern at sodium concentrations of 4% or more relative to DHB.

[実施例10]
マトリックス組成物2(DHBNa-アニリン+DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液(50 μL)、CH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン(10 μL)、の混合液に、容量の異なる0.1 M炭酸水素ナトリウム (0~50 μL)水溶液を加えた後、1 mLに増量して、Na+イオン添加量の異なるマトリックス組成物2関連マトリックス溶液を調製した。
このNa+イオン添加量の異なるマトリックス組成物2関連マトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、ナトリウム無添加のものでも糖鎖フラグメントパターンが明確に検出され、ペプチドフラグメント由来のピークが抑制された。ナトリウム添加量1%以上のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。また、ナトリウム添加量の増加に伴い糖鎖フラグメントピーク感度が上昇し、DHBに対し2%以上のナトリウム濃度ではピークパターンの変化は生じなかった。
[Example 10]
The effect of the amount of added sodium on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 2 (DHBNa-aniline+DAN).
First, different volumes of 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (0 to 50 μL) were added to a mixture of 0.5 M DHB (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene (10 μL) in CH 3 CN, and then the volume was increased to 1 mL to prepare matrix solutions related to matrix composition 2 with different amounts of Na + ions added.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using matrix solutions related to matrix composition 2 with different amounts of added Na + ions at a laser intensity of 80%, the glycan fragment pattern was clearly detected even in the case of no added sodium, and the peaks derived from peptide fragments were suppressed. When the amount of added sodium was 1% or more, only the glycan fragment pattern was observed, and no peptide fragments were generated. Furthermore, the sensitivity of the glycan fragment peak increased with increasing sodium addition, and no change in the peak pattern occurred at sodium concentrations of 2% or more relative to DHB.

[実施例11]
マトリックス組成物5(DHBNa-DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるDAN添加量の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)に、0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)水溶液および容量の異なる1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン (0~60 μL) CH3CN溶液を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加量の異なるマトリックス組成物5関連マトリックス溶液を調製した。
このDAN添加量の異なるマトリックス組成物5関連マトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN添加量20%のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。また、DHBに対し60%以下のDAN濃度ではピークパターンの変化は生じなかったが、DAN添加量80%のものでは糖鎖フラグメントパターンと共に非常に弱いペプチドフラグメントが生成した。
[Example 11]
In reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 5 (DHBNa-DAN), the effect of the amount of DAN added on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated.
First, 0.1 M aqueous sodium bicarbonate (50 μL) and different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene (0 to 60 μL) in CH 3 CN were added to 0.5 M DHB (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), and then the volume was increased to 1 mL to prepare matrix solutions related to matrix composition 5 with different amounts of DAN added.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using matrix solutions related to matrix composition 5 with different amounts of DAN added at a laser intensity of 80%, only the glycan fragment pattern was observed with 20% DAN added, and no peptide fragments were generated. Furthermore, no change in the peak pattern occurred at DAN concentrations of 60% or less relative to DHB, but very weak peptide fragments were generated along with the glycan fragment pattern with 80% DAN added.

[実施例12]
芳香族性塩基成分を含まないマトリックス組成物6(DHBNa)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンにおけるナトリウム添加量の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M DHB (100 μL)に、容量の異なる0.1 M炭酸水素ナトリウム (0~50 μL)水溶液を加えた後、1 mLに増量して、Na+イオン添加量の異なるマトリックス組成物6関連マトリックス溶液を調製した。
このNa+イオン添加量の異なるマトリックス組成物6関連マトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、ナトリウム添加量2%のものでは糖鎖フラグメントパターンと共に非常に弱いペプチドフラグメントが生成した。ナトリウム添加量4%以上のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。また、ナトリウム添加量の増加に伴い糖鎖フラグメントピーク感度が上昇し、DHBに対し4%以上のナトリウム濃度ではピークパターンの変化は生じなかった。
[Example 12]
The effect of the amount of added sodium on the spectral pattern resulting from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 6 (DHBNa) that does not contain an aromatic base component.
First, different volumes of 0.1 M aqueous sodium bicarbonate (0–50 μL) were added to 0.5 M DHB (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), and then the volume was increased to 1 mL to prepare matrix solutions related to matrix composition 6 with different amounts of Na + ions added.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using matrix solutions related to matrix composition 6 with different amounts of Na + ions at a laser intensity of 80%, a glycan fragment pattern was generated along with very weak peptide fragments when sodium was added at 2%. When sodium was added at 4% or more, only the glycan fragment pattern was observed, and no peptide fragments were generated. Furthermore, the glycan fragment peak sensitivity increased with increasing sodium addition, and no change in the peak pattern occurred at sodium concentrations of 4% or more relative to DHB.

[参考例]
1,5-ジアミノナフタレン(DAN)を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンを評価した。
CH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン(50 μL)に対し容量の異なる0.1 M炭酸水素ナトリウム (0または50 μL) 水溶液を加えた後、CH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量してDANマトリックス溶液を調製した。
このDANマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、糖鎖フラグメントパターンは観察されずペプチドフラグメントパターンのみが生成した。特に、DANによるジスルフィド結合の開裂効果によりDHBのみでは計測できなかったシステインの先の配列パターンを示すペプチドフラグメントも確認された。また、DANのみでは酸性固体マトリックスで確認されたNa添加に伴う糖鎖フラグメント選択的イオン化能は確認されなかった。
[Reference Example]
The spectral patterns derived from the degradation of the analyte RNase B were evaluated using 1,5-diaminonaphthalene (DAN) in reflectron mode MALDI-TOF MS.
The DAN matrix solution was prepared by adding different volumes of 0.1 M aqueous sodium bicarbonate (0 or 50 μL) to 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene (50 μL) in CH 3 CN, and then increasing the volume to 1 mL with CH 3 CN/H 2 O (50:50, v/v).
When the glycoprotein RNase B was analyzed using this DAN matrix solution at a laser intensity of 80%, no glycan fragment pattern was observed, and only peptide fragment patterns were generated. In particular, peptide fragments showing sequence patterns beyond cysteine, which could not be measured using DHB alone, were also observed due to the disulfide bond cleavage effect of DAN. Furthermore, the selective ionization ability of glycan fragments with the addition of Na, which was observed with the acidic solid matrix, was not observed with DAN alone.

[実施例13]
α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M CHCA 溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン溶液 (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するCHCA含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは弱い糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。DAN添加のものでは強い糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 13]
The effect of adding α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (DAN) on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), aniline, sodium, and DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene solution in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M CHCA solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare CHCA-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, only a weak glycan fragment pattern was observed without the addition of DAN, and no peptide fragments were generated, whereas only a strong glycan fragment pattern was observed with the addition of DAN.

[実施例14]
2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M THAP溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン溶液 (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するTHAP含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは強い糖鎖フラグメントパターンと共に、弱いペプチドフラグメントが生成した。DAN添加のものでは強い糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 14]
The effect of adding 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), aniline, sodium, and DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene solution in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M THAP solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare THAP-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, a strong glycan fragment pattern was generated along with weak peptide fragments in the absence of DAN, whereas only a strong glycan fragment pattern was observed in the presence of DAN.

[実施例15]
ピコリン酸(PA)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M PA溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するPA含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは弱い糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。DAN添加のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 15]
The effect of adding DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing picolinic acid (PA), aniline, sodium, and DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M PA solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare PA-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, only a weak glycan fragment pattern was observed without the addition of DAN, and no peptide fragments were generated, whereas with the addition of DAN, only a glycan fragment pattern was observed.

[実施例16]
α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M CNME溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するCNME含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは弱い糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。DAN添加のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 16]
The effect of adding methyl α-cyano-4-hydroxycinnamate (CNME), aniline, sodium, and DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M CNME solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare CNME-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, only a weak glycan fragment pattern was observed without the addition of DAN, and no peptide fragments were generated, whereas with the addition of DAN, only a glycan fragment pattern was observed.

[実施例17]
4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M Cl-CCA溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するCl-CCA含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。DAN添加のものでは強い糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 17]
The effect of adding DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), aniline, sodium, and DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M Cl-CCA solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare Cl-CCA-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, only a glycan fragment pattern was observed without the addition of DAN, and no peptide fragments were generated, whereas only a strong glycan fragment pattern was observed with the addition of DAN.

[実施例18]
4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、アニリン、ナトリウム、およびDANを含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するDAN添加の効果を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M Br-CCA溶液 (100 μL)、CH3CN中1.0 Mアニリン溶液 (50 μL)、0.1 M炭酸水素ナトリウム水溶液 (50 μL)の混合液に、容量の異なるCH3CN中1.0 M 1,5-ジアミノナフタレン (0または10 μL)を加えた後、1 mLに増量して、DAN添加の組み合わせを有するBr-CCA含有マトリックス溶液を調製した。
それぞれのマトリックス溶液を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、DAN無添加のものでは糖鎖フラグメントパターンのみが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。DAN添加のものでは強い糖鎖フラグメントパターンのみが確認された。
[Example 18]
The effect of adding DAN on the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), aniline, sodium, and DAN.
First, different volumes of 1.0 M 1,5-diaminonaphthalene in CH 3 CN (0 or 10 μL) were added to a mixture of 0.5 M Br-CCA solution (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v), 1.0 M aniline solution (50 μL) in CH 3 CN, and 0.1 M aqueous sodium bicarbonate solution (50 μL), and then the volume was increased to 1 mL to prepare Br-CCA-containing matrix solutions with the combination of DAN addition.
When the glycoprotein RNase B was analyzed using each matrix solution at a laser intensity of 80%, only a glycan fragment pattern was observed without the addition of DAN, and no peptide fragments were generated, whereas only a strong glycan fragment pattern was observed with the addition of DAN.

[実施例19]
<N-結合型糖鎖の直接解析>
1分子内にカルボキシル基、水酸基およびアミノ基を有する3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)およびナトリウムを含有するマトリックス組成物7を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対するN-結合型糖鎖の直接解析の可能性を評価した。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M AHBA (100 μL)および水中0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)をCH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量して、Na+イオン添加マトリックス組成物を調製した。
上記マトリックス組成物を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質であるRNase Bを解析すると、還元末端GlcNAc残基の2,4A-型および0,2A-型交差環開裂からなる糖鎖フラグメントパターンが観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。AHBA-Naマトリックスはアルカリ金属添加アニリン誘導体/DHBマトリックスや、ナトリウム添加DHB/DANと比較すると糖鎖断片化能力は低い傾向が観察された。AHBAは糖たんぱく質上のN-結合型糖鎖解析において糖鎖断片化能が低いが、糖鎖断片化能力が同様に低いナトリウム添加DHB/アニリンと比較するとより高感度なN-結合型糖鎖断片検出能を有している。これは、分子内イオン対(双性イオン)形成と結晶化能の向上により、より安定な固体イオンマトリックス特性を与えていることが予想される。また、[非特許文献15]に記載されているように、強いレーザー強度でも飽和ピークの発生やピーク幅が抑えられた結果、低分子領域のノイズが発生しにくく、分析対象物のイオンが効率的に検出されていることが予想される。
本発明によるマトリックス組成物7を用いれば、N-結合型糖鎖の直接解析が可能であることが確認された。
[Example 19]
<Direct analysis of N-linked glycans>
The possibility of direct analysis of N-linked glycans in terms of the spectral pattern derived from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using matrix composition 7 containing 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA) having a carboxyl group, a hydroxyl group, and an amino group in one molecule and sodium.
First, a Na + ion-added matrix composition was prepared by increasing the volume of 0.5 M AHBA (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v) and 0.1 M sodium bicarbonate in water (50 μL) to 1 mL with CH 3 CN / H 2 O (50:50, v/v).
When the above matrix composition was used to analyze the glycoprotein RNase B at a laser intensity of 80%, a glycan fragment pattern consisting of 2,4 A-type and 0,2 A-type cross-ring cleavage of the reducing end GlcNAc residue was observed, and no peptide fragments were generated. The AHBA-Na matrix tended to have a lower glycan fragmentation ability than the alkali metal-added aniline derivative/DHB matrix and sodium-added DHB/DAN. Although AHBA has a low glycan fragmentation ability in the analysis of N-linked glycans on glycoproteins, it has a higher sensitivity in detecting N-linked glycan fragments than sodium-added DHB/aniline, which also has a low glycan fragmentation ability. This is expected to be due to the formation of intramolecular ion pairs (zwitterions) and improved crystallization ability, which gives it more stable solid ion matrix properties. In addition, as described in [Non-Patent Document 15], the occurrence of saturation peaks and peak widths were suppressed even at high laser intensity, and it is expected that noise in the low molecular weight region is less likely to occur, and ions of the analyte are efficiently detected.
It was confirmed that the use of matrix composition 7 according to the present invention enables direct analysis of N-linked glycans.

[比較例1~4]
1分子内にカルボキシル基およびアミノ基を有するが、水酸基を有さない3,5-ジアミノ安息香酸(DABA)を含有するマトリックス組成物を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象RNase Bの分解由来スペクトルパターンに対する、添加の効果を評価した。
(a)DABA単独の系では解析不能であった。(b)ナトリウムを添加した系では、糖鎖のスペクトルのみならず、ペプチドのスペクトルも観察された。(c)ナトリウムおよびDANを添加した系では、糖鎖のスペクトルのみならず、ペプチドのスペクトルも観察された。(d)ナトリウムおよびDHBを添加した系では、糖鎖のスペクトルのみが観察された。
[Comparative Examples 1 to 4]
The effect of adding 3,5-diaminobenzoic acid (DABA), which has a carboxyl group and an amino group but no hydroxyl group in one molecule, on the spectral pattern resulting from the degradation of the analyte RNase B was evaluated in reflectron mode MALDI-TOF MS using a matrix composition containing DABA.
(a) Analysis was not possible in the system containing DABA alone. (b) In the system containing sodium, not only the spectrum of the glycan but also the spectrum of the peptide was observed. (c) In the system containing sodium and DAN, not only the spectrum of the glycan but also the spectrum of the peptide was observed. (d) In the system containing sodium and DHB, only the spectrum of the glycan was observed.

[実施例20]
<O-結合型糖鎖の直接解析>
1分子内にカルボキシル基、水酸基およびアミノ基を有する3-アミノ-4-ヒドロキシ安息香酸(AHBA)およびナトリウムを含有するマトリックス組成物7を用いるリフレクトロンモードMALDI-TOF MSにおいて、分析対象豚胃ムチン(Mucin from porcine stomach, type II, Sigma-Aldrich M2378)の分解由来スペクトルパターンに対するO-結合型糖鎖の直接解析の可能性を評価した。O-結合型糖鎖はセリン/スレオニン残基(Ser/Thr)の側鎖水酸基に糖鎖が結合した構造を有する。また、N-結合型糖鎖のように穏やかな条件でペプチドとの結合部位を統一的に切断する酵素が存在しないため、O-結合型糖鎖の解析では一般的に塩基処理によるSer/Thr残基内のβエリミネーション反応により糖鎖を切り出したのち、ペプチド断片と糖鎖断片を分離し、解析することが一般的である。しかし、O-結合糖鎖は共通コア構造がN-結合型糖と比較すると小さいため、小さな糖鎖断片の検出は一般的に困難であり、N-結合型糖鎖と比較するとその解析が困難であった。実際に、DHBを用い、O-結合型糖鎖を豊富に含有する糖たんぱく質である豚胃ムチンを解析したところ、低分子領域はノイズが高く、高分子領域でも糖鎖に特徴的なピークを系統的に探索することは困難であった。そこで、ナトリウム添加AHBAを用いて豚胃ムチンを解析することとした。
まず、CH3CN/H2O (90:10, v/v)中の0.5 M AHBA (100 μL)および水中0.1 M炭酸水素ナトリウム (50 μL)をCH3CN/H2O (50:50, v/v)で1 mLに増量して、Na+イオン添加マトリックス組成物を調製した。
上記マトリックス組成物を用いてレーザー強度80%にて糖タンパク質である豚胃ムチンを解析すると、低分子領域のノイズが軽減されるとともに、糖鎖が結合するセリンまたはトレオニン残基からのβエリミネーションを経て生成した、GalNAc残基を還元末端とする糖鎖パターンが、その脱水物と共に観察され、ペプチドフラグメントは生成しなかった。また、ナトリウム添加AHBAのみを添加したスポットから得られた背景シグナルと比較することにより、観察された糖鎖パターンに相当するシグナルは豚胃ムチン由来であることが確認された。
本発明によるマトリックス組成物7を用いれば、RNase BのようなN-結合型糖鎖を有する糖タンパク質のみならず、分子量数百万からなる糖タンパク質で構成されるムチンからも、糖鎖の切り出しや修飾することなく、O-結合型糖鎖の直接解析が可能であることが確認された。
ここで観察されたフラグメントパターンは、糖鎖の塩基処理による切断、ラベル化、およびカラム精製を経て調製された豚胃ムチン由来O-結合型糖鎖パターンの報告[非特許文献19]と良い一致を示した。
[Example 20]
<Direct analysis of O-linked glycans>
The possibility of direct analysis of O-linked glycans in the decomposition-derived spectral pattern of the target porcine stomach mucin (Mucin from porcine stomach, type II, Sigma-Aldrich M2378) was evaluated using reflectron mode MALDI-TOF MS with matrix composition 7 containing 3-amino-4-hydroxybenzoic acid (AHBA) with carboxyl, hydroxyl and amino groups in one molecule and sodium. O-linked glycans have a structure in which glycans are bound to the side chain hydroxyl groups of serine/threonine residues (Ser/Thr). In addition, since there is no enzyme that uniformly cleaves the binding site with peptides under mild conditions like N-linked glycans, the analysis of O-linked glycans generally involves cleaving the glycans by a β-elimination reaction in the Ser/Thr residues by base treatment, and then separating and analyzing the peptide fragments and glycan fragments. However, because the common core structure of O-linked glycans is smaller than that of N-linked glycans, it is generally difficult to detect small glycan fragments, and analysis of O-linked glycans has been more difficult than that of N-linked glycans. In fact, when porcine gastric mucin, a glycoprotein that is rich in O-linked glycans, was analyzed using DHB, the noise was high in the low molecular weight region, and it was difficult to systematically search for peaks characteristic of glycans even in the high molecular weight region. Therefore, we decided to analyze porcine gastric mucin using sodium-added AHBA.
First, a Na + ion-added matrix composition was prepared by increasing the volume of 0.5 M AHBA (100 μL) in CH 3 CN/H 2 O (90:10, v/v) and 0.1 M sodium bicarbonate in water (50 μL) to 1 mL with CH 3 CN / H 2 O (50:50, v/v).
When the above matrix composition was used to analyze the glycoprotein porcine gastric mucin at a laser intensity of 80%, the noise in the low molecular weight region was reduced, and a glycan pattern with a GalNAc residue at the reducing end, which was generated through β-elimination from the serine or threonine residue to which the glycan is bound, was observed together with its dehydrated product, and no peptide fragments were generated. In addition, by comparing the signal corresponding to the observed glycan pattern with the background signal obtained from the spot to which only sodium-added AHBA was added, it was confirmed that the signal corresponding to the observed glycan pattern was derived from porcine gastric mucin.
It was confirmed that by using matrix composition 7 according to the present invention, it is possible to directly analyze O-linked glycans not only from glycoproteins having N-linked glycans such as those from RNase B, but also from mucin, which is composed of glycoproteins with molecular weights of several million, without the need for cleavage or modification of the glycans.
The fragment pattern observed here was in good agreement with the reported O-linked glycan pattern from porcine gastric mucin prepared by cleavage of the glycans with base treatment, labeling, and column purification [Non-patent Document 19].

[考察]
一般性をまとめると次の通りとなる。
(1)MALDI-TOF MSでは照射レーザー強度を上げるとフラグメントイオンの生成が促進される。
(2)酸性固体マトリックスにナトリウムまたは芳香族性塩基分子を加えるとフラグメントイオン生成がさらに促進される。
(3)DANは対象サンプルのフラグメント化を促進する。
(4)酸性固体マトリックス+ナトリウム、または酸性固体マトリックス+芳香族性塩基分子により糖鎖フラグメントのイオン化効率が向上すると共にペプチドフラグメントのイオン化効率が低下する。ナトリウムまたは芳香族性塩基分子の添加量の増加に伴いこの効果が増強される。
(5)酸性固体マトリックス+ナトリウム+芳香族性塩基分子により糖鎖フラグメントのイオン化効率がさらに向上し、ペプチドフラグメントは検出不可レベルまで低減する。
(6)1分子内に酸性基、水酸基および塩基性基を有する芳香族両性分子+ナトリウムにより、N-結合型糖鎖およびO-結合型糖鎖を直接解析することができる。
[Discussion]
The generalities can be summarised as follows:
(1) In MALDI-TOF MS, increasing the intensity of the irradiated laser promotes the production of fragment ions.
(2) The addition of sodium or aromatic base molecules to the acidic solid matrix further promotes the production of fragment ions.
(3) DAN promotes fragmentation of the target sample.
(4) The addition of an acidic solid matrix plus sodium or an acidic solid matrix plus an aromatic base molecule increases the ionization efficiency of glycan fragments and decreases the ionization efficiency of peptide fragments. This effect is enhanced with an increase in the amount of sodium or aromatic base molecules added.
(5) The combination of an acidic solid matrix, sodium, and aromatic base molecules further improves the ionization efficiency of glycan fragments, reducing peptide fragments to undetectable levels.
(6) N-linked and O-linked glycans can be directly analyzed using an aromatic amphoteric molecule containing an acidic group, a hydroxyl group, and a basic group in one molecule plus sodium.

本発明のマトリックス組成物は、酸性または弱酸性固体マトリックス;芳香族性塩基性分子およびヒドロキシルアミン型塩基性分子から選択される、共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性分子;、および、所望により、1価の金属イオンを添加したマトリックスであり、好ましくはフラグメント化促進剤(1,5-ジアミノナフタレン)をさらに添加した固体マトリックスである。この固体マトリックス組成物は、MALDI-TOF質量分析装置による糖たんぱく質や糖脂質など高分子量アナライトのフラグメントイオン測定法において糖鎖成分選択的イオン化を特徴とする質量分析法であり、従来糖鎖構造の直接観察が困難であった多数の高分子量分析対象(糖タンパク質、脂質結合多糖等)を、高感度で再現性よく分析するのに主たる利点がある。
また、分析対象のレーザー出力依存性のインソースまたはポストソース分解パターンは、分析対象の詳細な配列決定研究のための擬似MS3戦略も可能である。
すなわち、本発明によれば、レーザー出力依存性擬似MS2およびMS3戦略によって、いかなる修飾もなしに、糖タンパク質および脂質結合糖鎖などのより高分子量かつ複雑な構造を有する複合糖質の直接構造解析が達成され、疾患バイオマーカー探索が可能となった。また、大腸菌などのグラム陰性菌の分類に使用されるO抗原糖鎖の直接解析が達成され、感染症の迅速診断が可能となった。
The matrix composition of the present invention is a matrix containing an acidic or weakly acidic solid matrix, a basic molecule selected from aromatic basic molecules and hydroxylamine-type basic molecules, the conjugate acid of which has a pKa of 4.0 to 5.0, and, if desired, a monovalent metal ion, preferably a fragmentation promoter (1,5-diaminonaphthalene), added thereto. This solid matrix composition is a mass spectrometry method characterized by selective ionization of glycan components in a fragment ion measurement method for high molecular weight analytes such as glycoproteins and glycolipids using a MALDI-TOF mass spectrometer, and has the main advantage of being able to analyze with high sensitivity and good reproducibility a large number of high molecular weight analytes (glycoproteins, lipid-bound polysaccharides, etc.) for which direct observation of glycan structures has been difficult in the past.
Laser-power-dependent in-source or post-source decay patterns of analytes also allow pseudo- MS3 strategies for detailed sequencing studies of the analytes.
That is, according to the present invention, the laser power-dependent pseudo- MS2 and MS3 strategies have achieved direct structural analysis of glycoconjugates with higher molecular weights and more complex structures, such as glycoproteins and lipid-bound glycans, without any modification, enabling the search for disease biomarkers. In addition, direct analysis of O-antigen glycans, which are used to classify Gram-negative bacteria such as E. coli, has been achieved, enabling the rapid diagnosis of infectious diseases.

Claims (17)

1分子内に、芳香族性水酸基および共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性残基を有する両性固体マトリックス;ならびに1価の金属イオンを含み、前記両性固体マトリックスが、式(1):
Figure 0007594307000006
(式中、R~Rは、それぞれ、独立して、水素原子、水酸基、アルキル基、アルコキシ基、カルボキシル基および/またはアミノ基であって、R~Rのうちいずれかふたつは、それぞれ、水酸基およびアミノ基である。)で表されるアミノヒドロキシ安息香酸であって、 前記1価の金属イオンの添加量が、前記両性固体マトリックス100モル%に対して1~50モル%である、固体マトリックス組成物。
An amphoteric solid matrix having an aromatic hydroxyl group and a basic residue whose conjugate acid exhibits a pKa of 4.0 to 5.0 in one molecule; and a monovalent metal ion, wherein the amphoteric solid matrix is represented by the formula (1):
Figure 0007594307000006
(wherein R 1 to R 5 are each independently a hydrogen atom, a hydroxyl group, an alkyl group, an alkoxy group, a carboxyl group and/or an amino group, and any two of R 1 to R 5 are each a hydroxyl group and an amino group), and the amount of the monovalent metal ion added is 1 to 50 mol % relative to 100 mol % of the amphoteric solid matrix.
前記1価の金属イオンが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンよりなる群から選択される、請求項1に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 1, wherein the monovalent metal ion is selected from the group consisting of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, and cesium ions. 記アミノヒドロキシ安息香酸が、下式:
Figure 0007594307000007
で表される化合物からなる群から選択されるアミノヒドロキシ安息香酸である、請求項1に記載の固体マトリックス組成物。
The aminohydroxybenzoic acid has the following formula:
Figure 0007594307000007
2. The solid matrix composition of claim 1, wherein the aminohydroxybenzoic acid is selected from the group consisting of compounds represented by the formula:
前記1価の金属イオンが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンよりなる群から選択される、請求項1に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 1, wherein the monovalent metal ion is selected from the group consisting of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, and cesium ions. 酸性固体マトリックス;芳香族性塩基性分子およびヒドロキシルアミン型塩基性分子から選択される、共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性化合物;ならびに1価の金属イオンを含み、
前記1価の金属イオンの添加量が、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して1~50モル%である、
固体マトリックス組成物。
The present invention comprises an acidic solid matrix; a basic compound selected from an aromatic basic molecule and a hydroxylamine-type basic molecule, the conjugate acid of which exhibits a pKa of 4.0 to 5.0; and a monovalent metal ion,
The amount of the monovalent metal ion added is 1 to 50 mol % relative to 100 mol % of the acidic solid matrix.
Solid matrix compositions.
前記酸性固体マトリックスがカルボン酸を含有し、pKa1.0~6.0を示す、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the acidic solid matrix contains a carboxylic acid and exhibits a pKa of 1.0 to 6.0. 前記酸性固体マトリックスが芳香族性水酸基を含有し、pKa6.0~10.0を示す、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the acidic solid matrix contains an aromatic hydroxyl group and exhibits a pKa of 6.0 to 10.0. 前記酸性固体マトリックスが、2,5-ジヒドロキシ安息香酸(DHB)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)、CHCA誘導体である4-クロロ-α-シアノケイ皮酸(Cl-CCA)、4-ブロモ-α-シアノケイ皮酸(Br-CCA)、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸メチル(CNME)、2,4,6-トリヒドロキシアセトフェノン(THAP)およびピコリン酸(PA)からなる群から選択される、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the acidic solid matrix is selected from the group consisting of 2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA), CHCA derivatives 4-chloro-α-cyanocinnamic acid (Cl-CCA), 4-bromo-α-cyanocinnamic acid (Br-CCA), α-cyano-4-hydroxycinnamic acid methyl ester (CNME), 2,4,6-trihydroxyacetophenone (THAP), and picolinic acid (PA). 前記1価の金属イオンが、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンよりなる群から選択される、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the monovalent metal ion is selected from the group consisting of lithium ions, sodium ions, potassium ions, rubidium ions, and cesium ions. 前記共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性化合物が、アニリン、N-メチルアニリン(NMA)、N,N-ジメチルアニリン(DMA)およびO-ベンジルヒドロキシルアミン(BOA)よりなる群から選択される、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the basic compound whose conjugate acid exhibits a pKa of 4.0 to 5.0 is selected from the group consisting of aniline, N-methylaniline (NMA), N,N-dimethylaniline (DMA) and O-benzylhydroxylamine (BOA). 前記共役酸がpKa4.0~5.0を示す塩基性化合物の添加量が、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して10~150モル%である、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5, wherein the amount of the basic compound whose conjugate acid has a pKa of 4.0 to 5.0 is 10 to 150 mol % relative to 100 mol % of the acidic solid matrix. さらに、フラグメント化促進剤として、前記酸性固体マトリックス100モル%に対して1~100モル%の1,5-ジアミノナフタレンを含む、請求項5に記載の固体マトリックス組成物。 The solid matrix composition according to claim 5 further comprises 1 to 100 mol % of 1,5-diaminonaphthalene as a fragmentation promoter relative to 100 mol % of the acidic solid matrix. 複合糖質のマトリックス支援レーザー脱離/イオン化-飛行時間型質量分析法であって、糖たんぱく質または糖脂質の糖鎖成分選択的イオン化を特徴とし、請求項1~12いずれかに記載の固体マトリックス組成物を使用する、質量分析法。 A matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of-flight mass spectrometry method for glycoconjugates, characterized by selective ionization of glycan components of glycoproteins or glycolipids, using a solid matrix composition according to any one of claims 1 to 12. リフレクトロンモードでインソース分解・ポストソース分解物測定する、請求項13に記載の質量分析法。 The mass spectrometry method according to claim 13, in which in-source decay and post-source decay products are measured in reflectron mode. 糖鎖由来フラグメントの選択的イオン化能を活用した、請求項14に記載の質量分析法。 The mass spectrometry method according to claim 14, which utilizes the selective ionization ability of glycan-derived fragments. MALDI-TOF/TOFMS分析においてレーザー出力依存的フラグメント化傾向、および糖鎖由来フラグメント選択的イオン化能を活用し、疑似MS/MS/MS解析する、請求項13に記載の質量分析法。 The mass spectrometry method according to claim 13, which utilizes the laser output-dependent fragmentation tendency and the ability to selectively ionize glycan-derived fragments in MALDI-TOF/TOFMS analysis to perform pseudo-MS/MS/MS analysis. 少なくとも一部に、請求項1~12いずれかに記載の固体マトリックス組成物からなるマトリックス層が形成されている、マトリックス支援レーザー脱離/イオン化質量分析用測定プレート。 A measurement plate for matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry, at least a portion of which is formed with a matrix layer made of the solid matrix composition according to any one of claims 1 to 12.
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