De novo sequencing of heparan sulfate saccharides using high-resolution tandem mass spectrometry

Heparan sulfate (HS) is a class of linear, sulfated polysaccharides located on cell surface, secretory granules, and in extracellular matrices found in all animal organ systems. It consists of alternately repeating disaccharide units, expressed in animal species ranging from hydra to higher vertebrates including humans. HS binds and mediates the biological activities of over 300 proteins, including growth factors, enzymes, chemokines, cytokines, adhesion and structural proteins, lipoproteins and amyloid proteins. The binding events largely depend on the fine structure - the arrangement of sulfate groups and other variations - on HS chains. With the activated electron dissociation (ExD) high-resolution tandem mass spectrometry technique, researchers acquire rich structural information about the HS molecule. Using this technique, covalent bonds of the HS oligosaccharide ions are dissociated in the mass spectrometer. However, this information is complex, owing to the large number of product ions, and contains a degree of ambiguity due to the overlapping of product ion masses and lability of sulfate groups; as a result, there is a serious barrier to manual interpretation of the spectra. The interpretation of such data creates a serious bottleneck to the understanding of the biological roles of HS. In order to solve this problem, I designed HS-SEQ - the first HS sequencing algorithm using high-resolution tandem mass spectrometry. HS-SEQ allows rapid and confident sequencing of HS chains from millions of candidate structures and I validated its performance using multiple known pure standards. In many cases, HS oligosaccharides exist as mixtures of sulfation positional isomers. I therefore designed MULTI-HS-SEQ, an extended version of HS-SEQ targeting spectra coming from more than one HS sequence. I also developed several pre-processing and post-processing modules to support the automatic identification of HS structure. These methods and tools demonstrated the capacity for large-scale HS sequencing, which should contribute to clarifying the rich information encoded by HS chains as well as developing tailored HS drugs to target a wide spectrum of diseases

Molecular Formula Identification using High Resolution Mass Spectrometry: Algorithms and Applications in Metabolomics and Proteomics

Wir untersuchen mehrere theoretische und praktische Aspekte der Identifikation der Summenformel von Biomolekülen mit Hilfe von hochauflösender Massenspektrometrie. Durch die letzten Forschritte in der Instrumentation ist die Massenspektrometrie (MS) zur einen der Schlüsseltechnologien für die Analyse von Biomolekülen in der Proteomik und Metabolomik geworden. Sie misst die Massen der Moleküle in der Probe mit hoher Genauigkeit, und ist für die Messdatenerfassung im Hochdurchsatz gut geeignet. Eine der Kernaufgaben in der MS-basierten Proteomik und Metabolomik ist die Identifikation der Moleküle in der Probe. In der Metabolomik unterliegen Metaboliten der Strukturaufklärung, beginnend bei der Summenformel eines Moleküls, d.h. der Anzahl der Atome jedes Elements. Dies ist der entscheidende Schritt in der Identifikation eines unbekannten Metabolits, da die festgelegte Formel die Anzahl der möglichen Molekülstrukturen auf eine viel kleinere Menge reduziert, die mit Methoden der automatischen Strukturaufklärung weiter analysiert werden kann. Nach der Vorverarbeitung ist die Ausgabe eines Massenspektrometers eine Liste von Peaks, die den Molekülmassen und deren Intensitäten, d.h. der Anzahl der Moleküle mit einer bestimmten Masse, entspricht. Im Prinzip können die Summenformel kleiner Moleküle nur mit präzisen Massen identifiziert werden. Allerdings wurde festgestellt, dass aufgrund der hohen Anzahl der chemisch legitimer Formeln in oberen Massenbereich eine exzellente Massengenaugkeit alleine für die Identifikation nicht genügt. Hochauflösende MS erlaubt die Bestimmung der Molekülmassen und Intensitäten mit hervorragender Genauigkeit. In dieser Arbeit entwickeln wir mehrere Algorithmen und Anwendungen, die diese Information zur Identifikation der Summenformel der Biomolekülen anwenden