FDR制御ベースの非標的メタボロームにおける同定と定量化の統合ワークフロー

代謝産物は、生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たしている。代謝産物は、多くの場合、エネルギー移動、ホルモン調節、神経伝達物質の調節、細胞通信、およびタンパク質の翻訳後修飾などの様々なプロセスの調節因子である1,2,3,4。非標的メタボロミクスは、多数の代謝産物^5,6のグローバルビューを提供する。質量分析およびクロマトグラフィー技術の進歩に伴い、メタボロームMS/MSスペクトルのスループットは近年^急速に増加しています7、⁸、^9、10、11。これらの巨大なデータセットから代謝産物を同定するために、MZmine 12、MS-FINDER 13、CFM-ID 14、MetFrag¹⁵、SLAW¹⁶など、さまざまな注釈ソフトウェア¹¹が開発されました。ただし、これらの ID には多くの場合、多くの誤検知が含まれています。その理由としては、(1)MS/MSスペクトルにはランダムノイズが含まれており、ピークマッチングを誤解させる可能性があります。(2)異性体および断片化エネルギーの違いは、複数のスペクトルフィンガープリントを引き起こし、したがって参照ライブラリの体積を増加させる。(3) 参照ライブラリの品質はさまざまです。優れたリファレンススペクトルライブラリを構築するための適切な標準が必要です。したがって、非標的メタボロミクスのための系統的偽発見率(FDR)制御は、機能的メタボローム研究^に不可欠である7、^8、9、17。

経験的ベイズアプローチとターゲット・デコイ戦略はどちらも、FDR制御問題全般に取り組んだ。Kerstin Scheubertらは、フラグメンテーションツリーベースの方法から生成されたおとりデータベース上のターゲット-デコイ戦略がFDR制御⁹のための最良の方法であることを示した。Xusheng Wangらは、化学におけるオクテット則に基づくおとり生成の方法を設計し、FDR推定の精度を向上させた¹⁷。デコイデータベースを生成するためのスペクトルライブラリは、より良いパフォーマンスのために実証されました¹⁸。ここでは、スペクトルライブラリベースの手法を改良し、FDR推定の精度をさらに向上させることができるXY-Meta¹⁹ というソフトウェアを開発しました。既存の参照スペクトルライブラリを使用して、ターゲット-デコイスキームの下でFDR制御用のデコイライブラリを生成します。XY-Metaは、独自のスペクトルマッチングアルゴリズムとコサイン類似性アルゴリズムをサポートしています。従来の検索モードと反復検索モードが可能です。FDR評価のステップでは、ターゲット – デコイ連結モードと分離モードをサポートしています。柔軟性を高めるために、XY-Meta は外部のおとりライブラリを受け入れます。

代謝産物のピーク検出および定量は、非標的メタボローム分析の重要なステップでもある。ピーク検出は、メタボローム同定の主な方法です。一般に、代謝産物のピーク検出の精度は、質量分析のノイズ信号、代謝産物の存在量の低さ、汚染物質、代謝産物の分解産物などの複数の要因によって影響を受けました²⁰。非標的メタボロームの実験において液体クロマトグラフィーカラムを交換したか又は液体クロマトグラフィーカラムのサンプル数が多すぎると、顕著なバッチ効果が現れることがあり、これはメタボローム定量にとって大きな課題である21^、22、23。現在、XCMS 24、Workflow4Metabolomic²⁵、iMet-Q²⁶、metaX¹⁹などのソフトウェアは、標的化されていないメタボロームのピーク検出と定量を実行できますが、metaXのパイプラインはより完全で使いやすいことを示唆しています。ここでは、XY-Metaを用いた公開データセットmsv000084112の同定とFDR制御のプロセス、およびmetaXを用いた代謝産物のピーク検出と定量を実演する。このワークフローに必要なのは 2 つのグループのみで、各グループには少なくとも 2 つのサンプルが必要です。質量分析計のプラットフォーム、イオン化モード、充電モード、サンプルタイプに関係なく、MS/MSスペクトルデータが必要であり、サンプルベースの正規化とピークベースの正規化をサポートできます。この例に続いて、研究者は扱いやすい方法でメタボロミクスの同定と定量を行うことができます。このパイプラインを使用するには、R プログラミング機能が必要です。プログラミングの知識のない研究者を支援するために、メタボロミクス分析用のクラウド分析プラットフォームも開発しました。このクラウド分析プラットフォームについては、「補足資料 5」で説明しました。