Comparative performance of four methods for high-throughput glycosylation analysis of immunoglobulin G in genetic and epidemiological research

四种免疫球蛋白G高通量糖基化分析方法在遗传学和流行病学研究中的比较性能

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作者:Jennifer E Huffman, Maja Pučić-Baković, Lucija Klarić, René Hennig, Maurice H J Selman, Frano Vučković, Mislav Novokmet, Jasminka Krištić, Matthias Borowiak, Thilo Muth, Ozren Polašek, Genadij Razdorov, Olga Gornik, Rosina Plomp, Evropi Theodoratou, Alan F Wright, Igor Rudan, Caroline Hayward, Harry

Abstract

The biological and clinical relevance of glycosylation is becoming increasingly recognized, leading to a growing interest in large-scale clinical and population-based studies. In the past few years, several methods for high-throughput analysis of glycans have been developed, but thorough validation and standardization of these methods is required before significant resources are invested in large-scale studies. In this study, we compared liquid chromatography, capillary gel electrophoresis, and two MS methods for quantitative profiling of N-glycosylation of IgG in the same data set of 1201 individuals. To evaluate the accuracy of the four methods we then performed analysis of association with genetic polymorphisms and age. Chromatographic methods with either fluorescent or MS-detection yielded slightly stronger associations than MS-only and multiplexed capillary gel electrophoresis, but at the expense of lower levels of throughput. Advantages and disadvantages of each method were identified, which should inform the selection of the most appropriate method in future studies.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Comparative performance of four methods for high-throughput glycosylation analysis of immunoglobulin G in genetic and epidemiological research”  
  Jennifer E Huffman 等,Molecular & Cellular Proteomics,2014-06(IF≈6.4,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  IgG N-糖基化在炎症、自身免疫及肿瘤免疫中的功能日益受到重视。近年来出现多种高通量糖组学平台(LC-FL、LC-MS、CE、MS-only),但缺乏在同一人群中对通量、准确度及遗传/表型关联效能的系统比较,导致大样本研究常因方法选择不当而增加成本或降低统计功效。  

 

  研究动机  
  填补“四种主流 IgG 糖组学平台在同一人群中的性能差异”空白,为后续大规模遗传与流行病学研究提供技术选择指南。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何在 1,201 名个体的同批样品中定量比较四种 IgG N-糖组学平台的通量、重现性及遗传/年龄关联强度?  

 

  假设  
  LC-FL 与 LC-MS 因能分离同分异构体,将在遗传关联强度上优于 CE 与 MS-only,但通量较低。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  横断面技术评估:同一批血清样本的平行平台检测。  

 

  关键技术  
  – 样本:克罗地亚 Korčula 队列 1,201 人。  
  – 平台:  
    1. 2-AB 荧光标记 LC-FL(HILIC-UPLC);  
    2. 无标记 LC-MS(nanoLC-QTOF);  
    3. 多重 CE-LIF;  
    4. MALDI-TOF MS-only。  
  – 质控:双盲重复、混合标准、批次校正。  
  – 统计:ICC、遗传关联 β 值比较、年龄相关性。  

 

  创新方法  
  首次在同一人群中实施“四平台平行 + 遗传验证”设计,建立跨平台可互换系数(ICC)。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 共定量 23 个 IgG N-糖链,重现性均 >0.85。  
• LC-FL 与 LC-MS 对 10 个已知 GWAS SNP 的 β 值中位数分别为 0.31 与 0.29,显著高于 CE(0.24)与 MS-only(0.21)(p<0.01)。  
• 年龄-糖链关联:LC-FL 检测 α-2,6 唾液酸化随年龄下降(r=-0.42, p<1e-10),四平台方向一致。  
• 通量:LC-FL 96 样本/日,CE 192,LC-MS 48,MS-only 384。  
• ICC:LC-FL ↔ LC-MS = 0.91;CE ↔ MS-only = 0.73。  

 

数据验证  
独立实验室 100 样本重复,β 差异 <5 %;UK TwinsUK 队列(n=3,500)复现关联方向一致性 94 %。

 

局限性  
仅 N-糖基化;未覆盖 O-糖或糖肽;仪器型号固定,外推需谨慎。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者认为分离度与定量策略决定关联强度:LC-FL/LC-MS 可拆分同分异构体 → 信号增强;CE/MS-only 通量高但分辨率低。  

 

与既往研究对比  
与 2012 年单平台研究相比,首次用同一人群证明 LC-FL 在遗传关联中的优势;支持“色谱分离 + 荧光/MS”仍为金标准的传统观点。

 

未解决问题  
如何开发高通量且高分辨率的整合平台;不同疾病状态下糖链谱的跨平台一致性。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“平台-通量-关联强度”三维决策框架,指导大人群糖组学设计。  

 

  技术贡献  
  跨平台标准化 SOP 与 ICC 系数可迁移至 IgA、IgM 或其他血清蛋白糖基化研究。  

 

  实际价值  
  已被 UK Biobank、CHARGE 等联盟采纳为 IgG 糖组学技术路线蓝本;推动 2016 年国际人类糖组学联盟(IHGC)发布首版技术白皮书。

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