Nature | 单细胞蛋白质组学的“王者”新时代

精准医学与蛋白组学

2021.10.14

作者景杰生物

TA的动态

景杰学术 | 报道

Deducing the full protein complement of individual cells has long played second fiddle to transcriptomics. That’ s about to change.

2021年9月20日，Nature杂志Technology Feature专栏发表题为 “Single-cell proteomics takes centre stage” 的论文[1]。正如其按语所描述，“长期以来，转录组学扮演着推导单个细胞的完整蛋白质的角色，而现在空间单细胞蛋白组学技术将会带来更多改变，使单细胞的发展进入一个完整的循环。”

过去十年，单细胞组学技术的爆炸式增长，革命性地改变生物学研究。但单细胞层面研究主要集中在细胞成像和基因组和转录组测序分析无法对蛋白质深度、翻译后修饰、蛋白质组动力学，这些与表型更直接相关的特征，进行深入表征很高的价值的分析。随着单细胞蛋白质组学（single-cell proteomics）的“加冕”，单个细胞的蛋白质水平表达从基于mRNA丰度的“推断”转变为真实意义上的“测量”。

Fig. A dream of single-cell proteomics ( Vivien Marx, 2019, Nature )[2]

单细胞蛋白质组学的目的是对单个或极微量细胞的蛋白质总体进行分类和表征，由于蛋白质不可扩增的特性，对定量技术和仪器设备的灵敏度提出了极高的需求。目前科学家常使用抗体或质谱的方式实现对单个细胞蛋白组的探测。使用抗体相对简单，流式细胞术或CODEXD等技术可以对单个细胞最多50种蛋白质进行定量。例如，通过设计近千种抗体，Diana Mahdessian等人首次在单个U2OS细胞中鉴定到1180种蛋白质，发现其中约539个蛋白质与细胞周期功能相关[3]。然而并非所有蛋白质都有相应抗体，有些抗体只与蛋白质弱结合或非特异性结合。更重要的是，基于抗体的方法只针对特定的蛋白质，研究只能观测蛋白质组的部分，是“预设边界”的研究。因此，许多科学家转而使用基于质谱的方法，实现对单个细胞蛋白质组非靶向“全发现”性质的分析。

Fig. Two paths to the proteome，（ N. Slavov, 2020, Science).[4]

质谱仪可以检测阿摩尔（10^-18摩尔）数量级的物质，其灵敏度足以在单个细胞水平上识别蛋白质组，尤其是最新的4D质谱仪的超高灵敏度在痕量分析中发挥显著优势。目前报道的大多数单细胞蛋白质组研究发现单个细胞大约有1000个蛋白质，尽管这个深度低于转录组学的分析，但已经足以挑出生物学上的差异。例如Matthias Mann团队最新发表的单细胞蛋白质组研究显示，每个细胞周期阶段检测到的蛋白质从细胞分裂生长期的611到合成DNA的后续阶段的1263不等。结果显示了细胞在细胞周期中的蛋白质组差异，揭示了细胞周期的关键调节因子，如CDK2NA、E2泛素连接酶UBE2S、DNA拓扑异构酶TOP2A/B和染色质调节因子HMGA1等[5]。

Fig. T-SCP correctly quantifies cell cycle states（Brunner, A.-D. et al, Preprint at bioRxiv）

大规模的单细胞蛋白质组分析对健康和疾病中细胞异质性，提供了前所未有的见解。2021年7月新发表于Nature Communications的研究中，哥本哈根大学的Erwin M. Schoof团队通过利用原发性白血病模型系统，运用基于质谱的单细胞蛋白质组学技术，在单个细胞中定量到约1000个蛋白质，深入探索了白血病疾病进展中的细胞异质性[6]。

Fig. Experimental overview of workflow（Erwin M. Schoof, et al, Nature Communications)

值得注意的是，传统的单细胞实验以牺牲位置信息为代价，但细胞在组织中的位置实际上很重要。最新研究将空间维度信息加入到蛋白质组学研究中，揭示了蛋白质组的空间异质性，显示了“空间蛋白质组学”的美好画像。西北太平洋国家实验室的化学家Ryan Kelly和朱瑛等合作团队，将微量样本处理的nanoPOTS技术、激光捕获显微切割（利用激光从组织中切除细胞）和质谱技术相结合，在准备胚泡植入的小鼠子宫组织切片上，以100-µm的空间分辨率生成>2000种蛋白质的定量细胞类型特异性图像[7]。

Fig. Schematic workflow for high-throughput, spatially resolved proteomics using the nanoPOTS imaging platform (Paul D Piehowski, et al, Nature Communications. )

单细胞蛋白质组学是蛋白质组学技术发展中“皇冠上的明珠”，是科学家们孜孜以求追逐的梦想。2021年7月，美国国立卫生研究院宣布为单分子和单细胞蛋白质组学的技术开发提供约2000万美元的资金，可见，国际上对单细胞蛋白组学研究的重视。而在国内市场，景杰生物作为蛋白质组学领域的领军企业，业已率先推出【真·单细胞蛋白质组学】分析，实现低至单个细胞的蛋白质组全发现分析，将助力生命科学与医学领域的全新突破。更多详情请拨科服热线（400-100-1145）或咨询当地销售工程师。

—景杰生物单细胞组学产品优势—

更多阅读

Blood+/PRM2 | 血液蛋白质组从发现到验证的全流程升级

2021-09-09

4D技术新应用-FFPE蛋白质组学&修饰组学

2021-09-03

景杰生物 | 【真 • 单细胞蛋白质组学】荣耀首发！

2021-08-17

宏修饰蛋白组学，科学发现的又一扇大门！

2021-08-03

4D蛋白质组学2周年：景杰之“最”

2021-03-12

参考文献

1. Jeffrey M. Perkel, 2021, Single-cell proteomics takes centre stage. Nature.

2.Vivien Marx, 2019, A dream of single-cell proteomics. Nature.

3.Diana Mahdessian, et al, 2021,Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics. Nature.

4.Nikolai Slavov, 2020, Unpicking the proteome in single cells. Science.

5.Brunner, A.-D. et al, 2021, Ultra-high sensitivity mass spectrometry quantifies singlecell proteome changes upon perturbation. Preprint at bioRxiv.

6.Erwin M. Schoof, et al., 2021, Quantitative single-cell proteomics as a tool to characterize cellular hierarchies. Nature Communications.

7.Paul D Piehowski , et al., 2021, Automated mass spectrometry imaging of over 2000 proteins from tissue sections at 100-μm spatial resolution. Nature Communications.

本文由景杰学术团队报道，欢迎转发到朋友圈。如有转载、投稿等其他合作需求，请文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。