Quantitative Accuracy Evaluation of Mass Spectrometry Based Proteomics Methods Commonly Used in Biomarker Research

doi:10.7503/cjcu20240311

Abstract

Abstract:

In the progression of diseases， changes in protein expression levels， modification states， or interaction patterns may reflect pathological conditions or disease advancement， making proteins commonly used as disease biomarkers. Mass spectrometry-based proteomics has identified numerous potential disease biomarkers. However， these biomarkers and their mass spectrometry detection methods need to have high quantitative accuracy and stability for further clinical application. This study synthesized 32 standard peptides and evaluated three quantitative methods data independent acquisition（DIA）， multiple reaction monitoring（MRM）， and parallel reaction monitoring（PRM）， for their potential in large-scale clinical applications in mass spectrometry. We simulated actual samples at four different concentrations to assess peptide discovery rates， standard curve linearity， inter-day and intra-day precision， and retention time shift using the aforementioned three mass spectrometry methods. The results indicate that MRM quantification is most suitable for clinical applications due to its good stability， sensitivity， and quantitative accuracy. PRM is suitable for targeted quantification in research settings， which can offer high sensitivity and stability. Finally， despite its high throughput nature， DIA demonstrates inferior quantitative accuracy for specific peptides compared to PRM and MRM.

Key words: Clinical mass spectrometry, Proteomics, Parallel reaction monitoring, Multiple reaction monitoring, Data independent acquisition

CLC Number:

O657

TrendMD:

ZHANG Lei, SHEN Huali. Quantitative Accuracy Evaluation of Mass Spectrometry Based Proteomics Methods Commonly Used in Biomarker Research[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240311.

Figures/Tables 6

References 26

6	Gao Q.， Zhu H. W.， Dong L. Q.， Shi W. W.， Chen R.， Song Z. J.， Huang C.， Li J. Q.， Dong X. W.， Zhou Y. T.， Liu Q.， Ma L. J.， Wang X. Y.， Zhou J.， Liu Y. S.， Boja E.， Robles A. I.， Ma W. P.， Wang P.， Li Y. Z.， Ding L.， Wen B.， Zhang B.， Rodriguez H.， Gao D. M.， Zhou H.， Fan J.， Cell， 2019， 179（5）， 561—577
7	Tian W. M.， Zhang N.， Jin R. H.， Feng Y. M.， Wang S. Y.， Gao S. X.， Gao R. Q.， Wu G. Z.， Tian D.， Tan W. J.， Chen Y.， Gao G. F.， Wong C. C. L.， Nature Commun.， 2020，11（1）， 5859
8	Xu J. Y.， Zhang C.， Wang X.， Zhai L.， Ma Y.， Mao Y.， Qian K.， Sun C.， Liu Z.， Jiang S.， Wang M.， Feng L.， Zhao L.， Liu P.， Wang B.， Zhao X.， Xie H.， Yang X.， Zhao L.， Chang Y.， Jia J.， Wang X.， Zhang Y.， Wang Y.， Yang Y.， Wu Z.， Yang L.， Liu B.， Zhao T.， Ren S.， Sun A.， Zhao Y.， Ying W.， Wang F.， Wang G.， Zhang Y.， Cheng S.， Qin J.， Qian X.， Wang Y.， Li J.， He F.， Xiao T.， Tan M.， Cell， 2020， 182（1）， 245—261
9	Guo Y.， You J.， Zhang Y.， Liu W. S.， Huang Y. Y.， Zhang Y. R.， Zhang W.， Dong Q.， Feng J. F.， Cheng W.， Yu J. T.， Nature Aging， 2024， 4（2）， 247—260
10	You J.， Guo Y.， Zhang Y.， Kang J. J.， Wang L. B.， Feng J. F.， Cheng W.， Yu J. T.， Nature Commun.， 2023， 14（1）， 7817
11	Hoshino A.， Kim H.S.， Bojmar L.， Gyan K. E.， Cioffi M.， Hernandez J.， Zambirinis C. P.， Rodrigues G.， Molina H.， Heissel S.， Mark M. T.， Steiner L.， Benito⁃Martin A.， Lucotti S.， Di Giannatale A.， Offer K.， Nakajima M.， Williams C.， Nogués L.， Vatter F. A. P.， Hashimoto A.， Davies A. E.， Freitas D.， Kenific C. M.， Ararso Y.， Buehring W.， Lauritzen P.， Ogitani Y.， Sugiura K.， Takahashi N.， Aleckovic M.， Bailey K. A.， Jolissant J. S.， Wang H. J.， Harris A.， Schaeffer L. M.， García⁃Santos G.， Posner Z.， Balachandran V. P.， Khakoo Y.， Raju G. P.， Scherz A.， Sagi I.， Scherz⁃Shouval R.， Yarden Y.， Oren M.， Malladi M.， Petriccione M.， De Braganca K. C.， Donzelli M.， Fischer C.， Vitolano S.， Wright G. P.， Ganshaw L.， Marrano M.， Ahmed A.， DeStefano J.， Danzer E.， Roehrl M. H. A.， Lacayo N. J.， Vincent T. C.， Weiser M. R.， Brady M. S.， Meyers P. A.， Wexler L. H.， Ambati S. R.， Chou A. J.， Slotkin E. K.， Modak S.， Roberts S. S.， Basu E. M.， Diolaiti D.， Krantz B. A.， Cardoso F.， Simpson A. L.， Berger M.， Rudin C. M.， Simeone D. M.， Jain M.， Ghajar C. M.， Batra S. K.， Stanger B.， Bui J.， Brown K. A.， Rajasekhar V. K.， Healey J. H.， de Sousa M.， Kramer K.， Sheth S.， Baisch J.， Pascual V.， Heaton T. E.， La Quaglia M. P.， Pisapia D. J.， Schwartz R.， Zhang H. Y.， Liu Y.， Shukla A.， Blavier L.， DeClerck Y. A.， LaBarge M.， Bissell M. J.， Caffrey T. C.， Grandgenett P. M.， Hollingsworth M. A.， Bromberg J.， Costa⁃Silva B.， Peinado H.， Kang Y. B.， Garcia B. A.， O'Reilly E. M.， Kelsen D.， Trippett T. M.， Jones D. R.， Matei I. R.， Jarnagin W. R.， Lyden D.， Cell， 2020， 182（4），1044—1061
12	Shen B.， Yi X.， Sun Y. T.， Bi X. J.， Du J. P.， Zhang C.， Quan S.， Zhang F. F.， Sun R.， Qian L. J.， Ge W. G.， Liu W.， Liang S.， Chen H.， Zhang Y.， Li J.， Xu J. Q.， He Z. B.， Chen B. F.， Wang J.， Yan H. X.， Zheng Y. F.， Wang D. L.， Zhu J. S.， Kong Z. Q.， Kang Z. Y.， Liang X.， Ding X.， Ruan G.， Xiang N.， Cai X.， Gao H. H.， Li L.， Li S. N.， Xiao Q.， Lu T.， Zhu Y.， Liu H. F.， Chen H. X.， Guo T. N.， Cell， 2020， 182（1）， 59—72
13	Hu A. Q.， Zhang L.， Wang Z. X.， Yuan C. Y.， Lin L.， Zhang J. Y.， Gao X.， Chen X. G.， Guo W.， Yang P. Y.， Shen H. L.， Anal. Chem.， 2023， 95（2）， 862—871
14	Zhou M. T.， Haque R. U.， Dammer E. B.， Duong D. M.， Ping L.Y.， Johnson E. C. B.， Lah J. J.， Levey A. I.， Seyfried N. T.， Clinical Proteomics， 2020， 17（1）， 19
15	Demichev V.， Messner C. B.， Vernardis S. I.， Lilley K. S.， Ralser M.， Nature Methods， 2020， 17（1）， 41—44
16	Messner C. B.， Demichev V.， Bloomfield N.， Yu J. S. L.， White M.， Kreidl M.， Egger A. S.， Freiwald A.， Ivosev G.， Wasim F.， Zelezniak A.， Jürgens L.， Suttorp N.， Sander L. E.， Kurth F.， Lilley K. S.， Mülleder M.， Tate S.， Ralser M.， Nature Biotechnology， 2021， 39（7）， 846—854
17	Vidova V.， Spacil Z.， Anal. Chim. Acta， 2017， 964， 7—23
18	Zecha J.， Lee C. Y.， Bayer F. P.， Meng C.， Vincent， Zerweck J.， Schnatbaum K.， Michler T.， Pichlmair A.， Ludwig C.， Kuster B.， Molecular & Cellular Proteomics， 2020， 19（9）， 1503—1521
1	Kim M. S.， Pinto S. M.， Getnet D.， Nirujogi R. S.， Manda S. S.， Chaerkady R.， Madugundu A. K.， Kelkar D. S.， Isserlin R.， Jain S.， Thomas J. K.， Muthusamy B.， Leal⁃Rojas P.， Kumar P.， Sahasrabuddhe N.A.， Balakrishnan L.， Advani J.， George B.， Renuse S.， Selvan L. D. N.， Patil A. H.， Nanjappa V.， Radhakrishnan A.， Prasad S.， Subbannayya T.， Raju R.， Kumar M.， Sreenivasamurthy S. K.， Marimuthu A.， Sathe G. J.， Chavan S.， Datta K. K.， Subbannayya Y.， Sahu A.， Yelamanchi S.D.， Jayaram S.， Rajagopalan P.， Sharma J.， Murthy K. R.， Syed N.， Goel R.， Khan A. A.， Ahmad S.， Dey G.， Mudgal K.， Chatterjee A.， Huang T. C.， Zhong J.， Wu X. Y.， Shaw P. G.， Freed D.， Zahari M. S.， Mukherjee K. K.， Shankar S.， Mahadevan A.， Lam H.， Mitchell C. J.， Shankar S. K.， Satishchandra P.， Schroeder J.T.， Sirdeshmukh R.， Maitra A.， Leach S.D.， Drake C.G.， Halushka M. K.， Prasad T. S. K.， Hruban R. H.， Kerr C. L.， Bader G. D.， Iacobuzio⁃Donahue C. A.， Gowda H.， Pandey A.， Nature， 2014， 509（7502）， 575—581
2	Wilhelm M.， Schlegl J.， Hahne H.， Gholami A. M.， Lieberenz M.， Savitski M. M.， Ziegler E.， Butzmann L.， Gessulat S.， Marx H.， Mathieson T.， Lemeer S.， Schnatbaum K.， Reimer U.， Wenschuh H.， Mollenhauer M.， Slotta-Huspenina J.， Boese J. H.， Bantscheff M.， Gerstmair A.， Faerber F.， Kuster B.， Nature， 2014， 509（7502）， 582—587
3	Uhlen M.， Fagerberg L.， Hallström B.M.， Lindskog C.， Oksvold P.， Mardinoglu A.， Sivertsson A.， Kampf C.， Sjöstedt E.， Asplund A.， Olsson I.， Edlund K.， Lundberg E.， Navani S.， Szigyarto C. A.， Odeberg J.， Djureinovic D.， Takanen J.O.， Hober S.， Alm T.， Edqvist P.H.， Berling H.， Tegel H.， Mulder J.， Rockberg J.， Nilsson P.， Schwenk J. M.， Hamsten M.， von Feilitzen K.， Forsberg M.， Persson L.， Johansson F.， Zwahlen M.， von Heijne G.， Nielsen J.， Pontén F.， Science， 2015， 347（6220）， 1260419
4	Zhang H.， Liu T.， Zhang Z.， Payne S.H.， Zhang B.， McDermott J. E.， Zhou J. Y.， Petyuk V. A.， Chen L.， Ray D.， Sun S. S.， Yang F.， Chen L. J.， Wang J.， Shah P.， Cha S. W.， Aiyetan P.， Woo S.， Tian Y.， Gritsenko M. A.， Clauss T. R.， Choi C.， Monroe M. E.， Thomas S.， Nie S.， Wu C. C.， Moore R. J.， Yu K. H.， Tabb D. L.， Fenyö D.， Bafna V.， Wang Y.， Rodriguez H.， Boja E. S.， Hiltke T.， Rivers R. C.， Sokoll L.， Zhu H.， Shih I. M.， Cope L.， Pandey A.， Zhang B.， Snyder M. P.， Levine D. A.， Smith R. D.， Chan D. W.， Rodland K. D.， Investigators C.， Cell， 2016， 166（3）， 755—765
5	Jiang Y.， Sun A. H.， Zhao Y.， Ying W. T.， Sun H. C.， Yang X. R.， Xing B. C.， Sun W.， Ren L. L.， Hu B.， Li C. Y.， Zhang L.， Qin G. R.， Zhang M. H.， Chen N.， Zhang M. L.， Huang Y.， Zhou J. N.， Zhao Y.， Liu M. W.， Zhu X. D.， Qiu Y.， Sun Y. J.， Huang C.， Yan M.， Wang M. C.， Liu W.， Tian F.， Xu H. L.， Zhou J.， Wu Z. Y.， Shi T. L.， Zhu W. M.， Qin J.， Xie L.， Fan J.， Qian X. H.， He F. C.， CNHPP Consortium， Nature， 2019， 567（7744）， 257—261
19	Heil L. R.， Damoc E.， Arrey T. N.， Pashkova A.， Denisov E.， Petzoldt J.， Peterson A. C.， Hsu C.， Searle B. C.， Shulman N.， Riffle M.， Connolly B.， MacLean B. X.， Remes P. M.， Senko M. W.， Stewart H. I.， Hock C.， Makarov A. A.， Hermanson D.， Zabrouskov V.， Wu C. C.， MacCoss M. J.， J. Proteome Res.， 2023， 22（10）， 3290—3300
20	Niu L.， Geyer P. E.， Albrechtsen N. J. W.， Gluud L. L.， Santos A.， Doll S.， Treit P. V.， Holst J. J.， Knop F. K.， Vilsbol T.， Junker A.， Sachs S.， Stemmer K.， Müller T. D.， Tschöp M. H.， Hofmann S. M.， Mann M.， Molecular Systems Biology， 2019， 15（3）， e8793
21	Niu L. L.， Thiele M.， Geyer P.， Rasmussen D. N.， Webel H. E.， Delgado A.， Gupta R.， Meier F.， Strauss M.， Kjærgaard M.， Lindvig K. P.， Israelsen M.， Rasmussen S.， Hansen T.， Mann M.， Krag A.， J. Hepatology， 2022， 77， 500—501
22	Niu L. L.， Thiele M.， Geyer P. E.， Rasmussen D. N.， Webel H. E.， Santos A.， Gupta R.， Meier F.， Strauss M.， Kjaergaard M.， Lindvig K.， Jacobsen S.， Rasmussen S.， Hansen T.， Krag A.， Mann M.， Nature Medicine， 2022， 28（6）， 1277—1287
23	Grossegesse M.， Hartkopf F.， Nitsche A.， Doellinger J.， J. Proteome Research， 2020， 19（7）， 2854—2862
24	Zhu H.， Ficarro S. B.， Alexander W. M.， Fleming L. E.， Adelmant G.， Zhang T. H.， Willetts M.， Decker J.， Brehmer S.， Krause M.， East M. P.， Gray N. S.， Johnson G. L.， Kruppa G.， Marto J. A.， Anal. Chem.， 2021， 93（41）， 13791—13799
25	Wu W.， Zhou Q. P.， Masubuchi T.， Shi X. S.， Li H.， Xu X. Y.， Huang M.， Meng L.， He X.， Zhu H. Y.， Gao S. X.， Zhang N.， Jing R. R.， Sun J.， Wang H. P.， Hui E. F.， Wong C. C.， Xu C. Q.， Cell， 2020， 182（4）， 855—871
26	Wang Z. X.， Wang H.， Peng Y. F.， Chen F. J.， Zhao L.， Li X. M.， Qin J. Q.， Li Q. Q.， Wang B. L.， Pan B. S.， Guo W.， Clinical Chemistry and Laboratory Medicine， 2020， 58（9）， 1477—1487

No.	Peptide sequence	No.	Peptide sequence
1	VSVHVIEGDHR	17	YLENYDAIR
2	AVTEQGHELSNEER	18	EANLLNAVIVQR
3	LVGSQEELASWGHEYVR	19	TEHINIHQLR
4	AQLFALTGVQPAR	20	AIGSASEGAQSSLQEVYHK
5	IQALQQQADEAEDR	21	TAFQEALDAAGDK
6	LVLVGDGGTGK	22	VYALPEDLVEVNPK
7	EAAENSLVAYK	23	NIETIINTFHQYSVK
8	SVTEQGAELSNEER	24	SGGASHSELIHNLR
9	FASENDLPEWK	25	SAGPQSQLLASVIAEK
10	LQDAEIAR	26	YFHVVIAGPQDSPFEGGTFK
11	LALQAQPVPDELVTK	27	TEGDGVYTLNNEK
12	FSGWYDADLSPAGHEEAK	28	VILENIASHEPR
13	IIFEDDR	29	ESSSHHPGIAEFPSR
14	AIVQLVNER	30	LVNEVTEFAK
15	VSEEIEDIIK	31	EQLTPLIK
16	HLFTGPVLSK	32	VGAHAGEYGAEALER

No.	Peptide sequence	No.	Peptide sequence
1	VSVHVIEGDHR	17	YLENYDAIR
2	AVTEQGHELSNEER	18	EANLLNAVIVQR
3	LVGSQEELASWGHEYVR	19	TEHINIHQLR
4	AQLFALTGVQPAR	20	AIGSASEGAQSSLQEVYHK
5	IQALQQQADEAEDR	21	TAFQEALDAAGDK
6	LVLVGDGGTGK	22	VYALPEDLVEVNPK
7	EAAENSLVAYK	23	NIETIINTFHQYSVK
8	SVTEQGAELSNEER	24	SGGASHSELIHNLR
9	FASENDLPEWK	25	SAGPQSQLLASVIAEK
10	LQDAEIAR	26	YFHVVIAGPQDSPFEGGTFK
11	LALQAQPVPDELVTK	27	TEGDGVYTLNNEK
12	FSGWYDADLSPAGHEEAK	28	VILENIASHEPR
13	IIFEDDR	29	ESSSHHPGIAEFPSR
14	AIVQLVNER	30	LVNEVTEFAK
15	VSEEIEDIIK	31	EQLTPLIK
16	HLFTGPVLSK	32	VGAHAGEYGAEALER

[1]	DONG Peiying, LIU Tong, QIN Weijie. A New Method for Large-scale Enrichment and Stepwise Identification of RNA-protein Complexes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240091.
[2]	JIN Ying, ZHANG Junjie, ZHANG Yixin, YUAN Yue, HAN Zhenzhen. Research Progress in Exosome Isolation and Proteomics Analysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240305.
[3]	HU Yuhong, YU Xiangming, SONG Lili, XING Qinghe, ZHOU Feng. Dynamic Proteome Profiling of Neonatal Hair Shaft Using DEEP SEQ Method [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240326.
[4]	FAN Zhirui, FANG Qun, YANG Yi. Single Cell Proteomic Analysis by Mass Spectrometry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240294.
[5]	XU Xia, QIN Weida, LI Ruomeng, WANG Qianqian, LIU Ning, LI Gongyu. Mass Spectrometry-based Deep Coverage Proteome： Evaluation of Cellular Protein Extraction Methods [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240344.
[6]	HUANG Yuying, YU Chengkun, LIU Siqi, REN Yan. Cell Map of Mouse Peripheral Blood Mononuclear Cells with a Label-free Single-cell Proteomics Method [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240355.
[7]	SHEN Fenglin, FENG Zhaoying, FANG Jing, ZHANG Lei, LIU Xiaohui, ZHOU Xinwen. New Technologies for Mass Spectrometry-based Single-cell Resolved Spatial Proteomics Research [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240299.
[8]	HUO Zhiyuan, ZHOU Jinping, MA Xiumin, ZHOU Yan, HUANG Lin. Advances in Single-cell Multi-omics Analysis Based on Mass Spectrometry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240389.
[9]	ZHAO Huanhuan, LI Cunyu, JIN Hong. Evaluation of Quantitative Phosphoproteomic Performance of Sequential Enrichment of Metal Oxide Affinity Chromatography for Phosphopeptides Using TMT 10-plex Isobaric Labeling [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3624.
[10]	WEI Wanghui,CHU Yanqiu,CHEN Ying,Gao Yanqiu,DING Chuanfan. Quantitative Determination of the Glycosylation Level for the Binding Proteins to High Density Lipoprotein by Mass Spectrometry^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(6): 1141.
[11]	LI Ying, YAO Jun, YANG Pengyuan, FAN Huizhi. Global Survey of Mouse Liver Protein Expression Using Liquid Isoelectric Focusing Prefractionation of Tryptic Peptides and LC-MS/MS^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(6): 1074.
[12]	ZHENG Jun-Fang, HUA Lin, ZHANG Qiu-Xia, LI De-Long, HE Jun-Qi*. Proteomic Analysis of Olfactory Memory Related Proteins in Mice [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(8): 1535.
[13]	ZHENG Jun-Fang, LIU Hua, XIONG Ying, WANG Xiao-Zhu, HE Jun-Qi*. Proteomic Analysis of Fear Memory Related Proteins in Mice [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(4): 736.
[14]	FANG Cai-Wang, HUANG Qing-Yu, LING Xue-Ping, KE Cai-Huan, HUANG He-Qing. Stress Proteins of Gill Tissue in Patinopecten yessoensis Exposed to Cadmium Salt [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(3): 507.
[15]	ZHAO Hui-Hui, YANG Fan, WANG Wei, WANG Hong-Xia, WEI Kai-Hua. Label Free Proteome Analysis of Plasma from Unstable Angina with Blood Stasis Syndrome Patients [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 31(2): 285.