Tissue Proteomes: Quantitative Mass Spectrometry of Murine Liver and Ovarian Endometrioma

A human genome contains more than 20 000 protein-encoding genes. A human proteome, instead, has been estimated to be much more complex and dynamic. The most powerful tool to study proteins today is mass spectrometry (MS). MS based proteomics is based on the measurement of the masses of charged peptide ions in a gas-phase. The peptide amino acid sequence can be deduced, and matching proteins can be found, using software to correlate MS-data with sequence database information. Quantitative proteomics allow the estimation of the absolute or relative abundance of a certain protein in a sample. The label-free quantification methods use the intrinsic MS-peptide signals in the calculation of the quantitative values enabling the comparison of peptide signals from numerous patient samples. In this work, a quantitative MS methodology was established to study aromatase overexpressing (AROM+) male mouse liver and ovarian endometriosis tissue samples. The workflow of label-free quantitative proteomics was optimized in terms of sensitivity and robustness, allowing the quantification of 1500 proteins with a low coefficient of variance in both sample types. Additionally, five statistical methods were evaluated for the use with label-free quantitative proteomics data. The proteome data was integrated with other omics datasets, such as mRNA microarray and metabolite data sets. As a result, an altered lipid metabolism in liver was discovered in male AROM+ mice. The results suggest a reduced beta oxidation of long chain phospholipids in the liver and increased levels of pro-inflammatory fatty acids in the circulation in these mice. Conversely, in the endometriosis tissues, a set of proteins highly specific for ovarian endometrioma were discovered, many of which were under the regulation of the growth factor TGF-β1. This finding supports subsequent biomarker verification in a larger number of endometriosis patient samples.

Sub-cellular localization of membrane proteins

In eukaryotes, numerous complex sub-cellular structures exist. The majority of these are delineated by membranes. Many proteins are trafficked to these in order to be able to carry out their correct physiological function. Assigning the sub-cellular location of a protein is of paramount importance to biologists in the elucidation of its role and in the refinement of knowledge of cellular processes by tracing certain activities to specific organelles. Membrane proteins are a key set of proteins as these form part of the boundary of the organelles and represent many important functions such as transporters, receptors, and trafficking. They are, however, some of the most challenging proteins to work with due to poor solubility, a wide concentration range within the cell and inaccessibility to many of the tools employed in proteomics studies. This review focuses on membrane proteins with particular emphasis on sub-cellular localization in terms of methodologies that can be used to determine the accurate location of membrane proteins to organelles. We also discuss what is known about the membrane protein cohorts of major organelles.

N-terminal acetylome analyses and functional insights of the N-terminal acetyltransferase NatB

Protein N-terminal acetylation (Nt-acetylation) is an important mediator of protein function, stability, sorting, and localization. Although the responsible enzymes are thought to be fairly well characterized, the lack of identified in vivo substrates, the occurrence of Nt-acetylation substrates displaying yet uncharacterized N-terminal acetyltransferase (NAT) specificities, and emerging evidence of posttranslational Nt-acetylation, necessitate the use of genetic models and quantitative proteomics. NatB, which targets Met-Glu-, Met-Asp-, and Met-Asn-starting protein N termini, is presumed to Nt-acetylate 15% of all yeast and 18% of all human proteins. We here report on the evolutionary traits of NatB from yeast to human and demonstrate that ectopically expressed hNatB in a yNatB-Δ yeast strain partially complements the natB-Δ phenotypes and partially restores the yNatB Nt-acetylome. Overall, combining quantitative N-terminomics with yeast studies and knockdown of hNatB in human cell lines, led to the unambiguous identification of 180 human and 110 yeast NatB substrates. Interestingly, these substrates included Met-Gln- N-termini, which are thus now classified as in vivo NatB substrates. We also demonstrate the requirement of hNatB activity for maintaining the structure and function of actomyosin fibers and for proper cellular migration. In addition, expression of tropomyosin-1 restored the altered focal adhesions and cellular migration defects observed in hNatB-depleted HeLa cells, indicative for the conserved link between NatB, tropomyosin, and actin cable function from yeast to human.

Expression profiling of lymph nodes in tuberculosis patients reveal inflammatory milieu at site of infection

Extrapulmonary manifestations constitute 15 to 20% of tuberculosis cases, with lymph node tuberculosis (LNTB) as the most common form of infection. However, diagnosis and treatment advances are hindered by lack of understanding of LNTB biology. To identify host response, Mycobacterium tuberculosis infected lymph nodes from LNTB patients were studied by means of transcriptomics and quantitative proteomics analyses. The selected targets obtained by comparative analyses were validated by quantitative PCR and immunohistochemistry. This approach provided expression data for 8,728 transcripts and 102 proteins, differentially regulated in the infected human lymph node. Enhanced inflammation with upregulation of T-helper1-related genes, combined with marked dysregulation of matrix metalloproteinases, indicates tissue damage due to high immunoactivity at infected niche. This expression signature was accompanied by significant upregulation of an immunoregulatory gene, leukotriene A4 hydrolase, at both transcript and protein levels. Comparative transcriptional analyses revealed LNTB-specific perturbations. In contrast to pulmonary TB-associated increase in lipid metabolism, genes involved in fatty-acid metabolism were found to be downregulated in LNTB suggesting differential lipid metabolic signature. This study investigates the tissue molecular signature of LNTB patients for the first time and presents findings that indicate the possible mechanism of disease pathology through dysregulation of inflammatory and tissue-repair processes.

Glioblastoma-derived Macrophage Colony-stimulating Factor (MCSF) Induces Microglial Release of Insulin-like Growth Factor-binding Protein 1 (IGFBP1) to Promote Angiogenesis

Glioblastoma (grade IV glioma/GBM) is the most common primary adult malignant brain tumor with poor prognosis. To characterize molecular determinants of tumor-stroma interaction in GBM, we profiled 48 serum cytokines and identified macrophage colony-stimulating factor (MCSF) as one of the elevated cytokines in sera from GBM patients. Both MCSF transcript and protein were up-regulated in GBM tissue samples through a spleen tyrosine kinase (SYK)-dependent activation of the PI3K-NF kappa B pathway. Ectopic overexpression and silencing experiments revealed that glioma-secreted MCSF has no role in autocrine functions and M2 polarization of macrophages. In contrast, silencing expression of MCSF in glioma cells prevented tube formation of human umbilical vein endothelial cells elicited by the supernatant from monocytes/microglial cells treated with conditioned medium from glioma cells. Quantitative proteomics based on stable isotope labeling by amino acids in cell culture showed that glioma-derived MCSF induces changes in microglial secretome and identified insulin-like growth factor-binding protein 1 (IGFBP1) as one of the MCSF-regulated proteins secreted by microglia. Silencing IGFBP1 expression in microglial cells or its neutralization by an antibody reduced the ability of supernatants derived from microglial cells treated with glioma cell-conditioned medium to induce angiogenesis. In conclusion, this study shows up-regulation of MCSF in GBM via a SYK-PI3K-NF kappa B-dependent mechanism and identifies IGFBP1 released by microglial cells as a novel mediator of MCSF-induced angiogenesis, of potential interest for developing targeted therapy to prevent GBM progression.

Unveiling Protein Kinase A Targets in Cryptococcus neoformans Capsule Formation.

The protein kinase A (PKA) signal transduction pathway has been associated with pathogenesis in many fungal species. Geddes and colleagues [mBio 7(1):e01862-15, 2016, doi:10.1128/mBio.01862-15] used quantitative proteomics approaches to define proteins with altered abundance during protein kinase A (PKA) activation and repression in the opportunistic human fungal pathogen Cryptococcus neoformans. They observed an association between microbial PKA signaling and ubiquitin-proteasome regulation of protein homeostasis. Additionally, they correlated these processes with expression of polysaccharide capsule on the fungal cell surface, the main virulence-associated phenotype in this organism. Not only are their findings important for microbial pathogenesis, but they also support similar associations between human PKA signaling and ubiquitinated protein accumulation in neurodegenerative diseases.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Large scale identification of protein SUMOylation by mass spectrometry in HEK293 cells

Les fichiers qui accompagnent mon document sont des tableaux supplémentaires réalisés avec Excel (Microsoft Office), dans la version papier du mémoire ces fichiers sont sur un CD-ROM.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Étude de la voie de signalisation de l’insuline chez la drosophile par une approche phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle modulant l’activité, la conformation ou la localisation d’une protéine et régulant divers processus. Les kinases et phosphatases sont responsables de la dynamique de phosphorylation et agissent de manière coordonnée. L’activation anormale ou la dérégulation de kinases peuvent conduire au développement de cancers ou de désordres métaboliques. Les récepteurs tyrosine kinase (RTKs) sont souvent impliqués dans des maladies et la compréhension des mécanismes régissant leur régulation permet de déterminer les effets anticipés sur leurs substrats. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’identifier les évènements de phosphorylation intervenant dans la voie de l’insuline chez la drosophile impliquant un RTK : le récepteur de l’insuline (InR). La cascade de phosphorylation déclenchée suite à l’activation du récepteur est conservée chez le mammifère. Afin d’étudier le phosphoprotéome de cellules S2 de drosophile, nous avons utilisé une étape d’enrichissement de phosphopeptides sur dioxyde de titane suivie de leur séparation par chromatographie liquide (LC) et mobilité ionique (FAIMS). Les phosphopeptides sont analysés par spectrométrie de masse en tandem à haute résolution. Nous avons d’abord démontré les bénéfices de l’utilisation du FAIMS comparativement à une étude conventionnelle en rapportant une augmentation de 50 % dans le nombre de phosphopeptides identifiés avec FAIMS. Cette technique permet de séparer des phosphoisomères difficilement distinguables par LC et l’acquisition de spectres MS/MS distincts où la localisation précise du phosphate est déterminée. Nous avons appliqué cette approche pour l’étude des phosphoprotéomes de cellules S2 contrôles ou traitées à l’insuline et avons identifié 32 phosphopeptides (sur 2 660 quantifiés) pour lesquels la phosphorylation est modulée. Étonnamment, 50 % des cibles régulées possèdent un site consensus pour la kinase CK2. Une stratégie d’inhibition par RNAi a été implémentée afin d’investiguer le rôle de CK2 dans la voie de l’insuline. Nous avons identifié 6 phosphoprotéines (CG30085, su(var)205, scny, protein CDV3 homolog, D1 et mu2) positivement régulées suite à l’insuline et négativement modulées après le traitement par RNAi CK2. Par essai kinase in vitro, nous avons identifié 29 cibles directes de CK2 dont 15 corrélaient avec les résultats obtenus par RNAi. Nous avons démontré que la phosphorylation de su(var)205 (S15) était modulée par l’insuline en plus d’être une cible directe de CK2 suite à l’expérience RNAi et à l’essai kinase. L’analyse des données phosphoprotéomiques a mis en évidence des phosphopeptides isomériques dont certains étaient séparables par FAIMS. Nous avons déterminé leur fréquence lors d’études à grande échelle grâce à deux algorithmes. Le script basé sur les différences de temps de rétention entre isomères a identifié 64 phosphoisomères séparés par LC chez la souris et le rat (moins de 1 % des peptides identifiés). Chez la drosophile, 117 ont été répertoriés en combinaison avec une approche ciblée impliquant des listes d’inclusion. Le second algorithme basé sur la présence d’ions caractéristiques suite à la fragmentation de formes qui co-éluent a rapporté 23 paires isomériques. L’importance de pouvoir distinguer des phosphoisomères est capitale dans le but d’associer une fonction biologique à un site de phosphorylation précis qui doit être identifié avec confiance.

Detection and quantification of staphylococcus aureus enterotoxin B in food product using isotopic dilution techniques and mass spectrometry

L’entérotoxine B staphylococcique (SEB) est une toxine entérique hautement résistante à la chaleur et est responsable de plus de 50 % des cas d’intoxication d’origine alimentaire par une entérotoxine. L’objectif principal de ce projet de maîtrise est de développer et valider une méthode basée sur des nouvelles stratégies analytiques permettant la détection et la quantification de SEB dans les matrices alimentaires. Une carte de peptides tryptiques a été produite et 3 peptides tryptiques spécifiques ont été sélectionnés pour servir de peptides témoins à partir des 9 fragments protéolytiques identifiés (couverture de 35 % de la séquence). L’anhydride acétique et la forme deutérée furent utilisés afin de synthétiser des peptides standards marqués avec un isotope léger et lourd. La combinaison de mélanges des deux isotopes à des concentrations molaires différentes fut utilisée afin d’établir la linéarité et les résultats ont démontré que les mesures faites par dilution isotopique combinée au CL-SM/SM respectaient les critères généralement reconnus d’épreuves biologiques avec des valeurs de pente près de 1, des valeurs de R2 supérieure à 0,98 et des coefficients de variation (CV%) inférieurs à 8 %. La précision et l’exactitude de la méthode ont été évaluées à l’aide d’échantillons d’homogénat de viande de poulet dans lesquels SEB a été introduite. SEB a été enrichie à 0,2, 1 et 2 pmol/g. Les résultats analytiques révèlent que la méthode procure une plage d’exactitude de 84,9 à 91,1 %. Dans l’ensemble, les résultats présentés dans ce mémoire démontrent que les méthodes protéomiques peuvent être utilisées efficacement pour détecter et quantifier SEB dans les matrices alimentaires. Mots clés : spectrométrie de masse; marquage isotopique; protéomique quantitative; entérotoxines

Functional studies of the deubiquitinating enzymes USP19, USP4 and UCH-L1

El marcaje de proteínas con ubiquitina, conocido como ubiquitinación, cumple diferentes funciones que incluyen la regulación de varios procesos celulares, tales como: la degradación de proteínas por medio del proteosoma, la reparación del ADN, la señalización mediada por receptores de membrana, y la endocitosis, entre otras (1). Las moléculas de ubiquitina pueden ser removidas de sus sustratos gracias a la acción de un gran grupo de proteasas, llamadas enzimas deubiquitinizantes (DUBs) (2). Las DUBs son esenciales para la manutención de la homeostasis de la ubiquitina y para la regulación del estado de ubiquitinación de diferentes sustratos. El gran número y la diversidad de DUBs descritas refleja tanto su especificidad como su utilización para regular un amplio espectro de sustratos y vías celulares. Aunque muchas DUBs han sido estudiadas a profundidad, actualmente se desconocen los sustratos y las funciones biológicas de la mayoría de ellas. En este trabajo se investigaron las funciones de las DUBs: USP19, USP4 y UCH-L1. Utilizando varias técnicas de biología molecular y celular se encontró que: i) USP19 es regulada por las ubiquitin ligasas SIAH1 y SIAH2 ii) USP19 es importante para regular HIF-1α, un factor de transcripción clave en la respuesta celular a hipoxia, iii) USP4 interactúa con el proteosoma, iv) La quimera mCherry-UCH-L1 reproduce parcialmente los fenotipos que nuestro grupo ha descrito previamente al usar otros constructos de la misma enzima, y v) UCH-L1 promueve la internalización de la bacteria Yersinia pseudotuberculosis.

Proteomic analysis of redox- and ErbB2-dependent changes in mammary luminal epithelial cells using cysteine- and lysine-labelling two-dimensional difference gel electrophoresis

Differential protein expression analysis based on modification of selected amino acids with labelling reagents has become the major method of choice for quantitative proteomics. One such methodology, two-dimensional difference gel electrophoresis (2-D DIGE), uses a matched set of fluorescent N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester cyanine dyes to label lysine residues in different samples which can be run simultaneously on the same gels. Here we report the use of iodoacetylated cyanine (ICy) dyes (for labelling of cysteine thiols, for 2-D DIGE-based redox proteomics. Characterisation of ICy dye labelling in relation to its stoichiometry, sensitivity and specificity is described, as well as comparison of ICy dye with NHS-Cy dye labelling and several protein staining methods. We have optimised conditions for labelling of nonreduced, denatured samples and report increased sensitivity for a subset of thiol-containing proteins, allowing accurate monitoring of redox-dependent thiol modifications and expression changes. Cysteine labelling was then combined with lysine labelling in a multiplex 2-D DIGE proteomic study of redox-dependent and ErbB2-dependent changes in epithelial cells exposed to oxidative stress. This study identifies differentially modified proteins involved in cellular redox regulation, protein folding, proliferative suppression, glycolysis and cytoskeletal organisation, revealing the complexity of the response to oxidative stress and the impact that overexpression of ErbB2 has on this response.

Proteomic analysis of redox- and ErbB2-dependent changes in mammary luminal epithelial cells using cysteine- and lysine-labelling two-dimensional difference gel electrophoresis

Differential protein expression analysis based on modification of selected amino acids with labelling reagents has become the major method of choice for quantitative proteomics. One such methodology, two-dimensional difference gel electrophoresis (2-D DIGE), uses a matched set of fluorescent N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester cyanine dyes to label lysine residues in different samples which can be run simultaneously on the same gels. Here we report the use of iodoacetylated cyanine (ICy) dyes (for labelling of cysteine thiols, for 2-D DIGE-based redox proteomics. Characterisation of ICy dye labelling in relation to its stoichiometry, sensitivity and specificity is described, as well as comparison of ICy dye with NHS-Cy dye labelling and several protein staining methods. We have optimised conditions for labelling of nonreduced, denatured samples and report increased sensitivity for a subset of thiol-containing proteins, allowing accurate monitoring of redox-dependent thiol modifications and expression changes, Cysteine labelling was then combined with lysine labelling in a multiplex 2-D DIGE proteomic study of redox-dependent and ErbB2-dependent changes in epithelial cells exposed to oxidative stress. This study identifies differentially modified proteins involved in cellular redox regulation, protein folding, proliferative suppression, glycolysis and cytoskeletal organisation, revealing the complexity of the response to oxidative stress and the impact that overexpression of ErbB2 has on this response.

Chromatographic alignment of LC-MS and LC-MS/MS datasets by genetic algorithm feature extraction

Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) datasets can be compared or combined following chromatographic alignment. Here we describe a simple solution to the specific problem of aligning one LC-MS dataset and one LC-MS/MS dataset, acquired on separate instruments from an enzymatic digest of a protein mixture, using feature extraction and a genetic algorithm. First, the LC-MS dataset is searched within a few ppm of the calculated theoretical masses of peptides confidently identified by LC-MS/MS. A piecewise linear function is then fitted to these matched peptides using a genetic algorithm with a fitness function that is insensitive to incorrect matches but sufficiently flexible to adapt to the discrete shifts common when comparing LC datasets. We demonstrate the utility of this method by aligning ion trap LC-MS/MS data with accurate LC-MS data from an FTICR mass spectrometer and show how hybrid datasets can improve peptide and protein identification by combining the speed of the ion trap with the mass accuracy of the FTICR, similar to using a hybrid ion trap-FTICR instrument. We also show that the high resolving power of FTICR can improve precision and linear dynamic range in quantitative proteomics. The alignment software, msalign, is freely available as open source.