单细胞蛋白组学介绍
单细胞蛋白组学介绍
单细胞蛋白组学是指通过质谱技术对单个细胞内的蛋白质组进行全面、精准的分析，以便揭示细胞在不同生理和病理状态下的蛋白质表达情况。在生物体内，细胞的功能并非一成不变，而是受多种因素调控。即使是同一组织中的不同细胞，其蛋白质表达模式也可能大相径庭，这种细胞间的异质性是许多生物学现象的根源。单细胞蛋白组学的最大优势就在于能够进行细胞类型特异性差异表达分析,揭示细胞间的异质性，从而在更精细的水平上研究细胞行为和功能，帮助我们更清晰地理解细胞在特定生理、病理或治疗状态下的动态变化。通过对单个细胞的蛋白质组成进行精准分析，研究人员不仅能够深入探讨细胞内各种信号通路、蛋白质相互作用及代谢途径，还能在单细胞水平上揭示疾病的发生机制。例如，肿瘤细胞内外的蛋白质异质性可能会影响肿瘤的侵袭性、转移性及对治疗的反应，单细胞蛋白组学因此成为研究癌症个性化治疗的重要工具。
图1
为什么要做单细胞研究？
- 单细胞研究能揭示肿瘤微环境中不同细胞亚群的作用机制，帮助深入理解癌症发生、发展、转移和免疫逃逸，提供潜在的创新治疗靶点。
肿瘤由多种细胞类型组成,包括癌细胞、成纤维细胞、免疫细胞和内皮细胞,每种细胞类型又由多个不同的细胞群组成。它们之间的密切相互作用通常会诱导肿瘤微环境中的细胞转化以支持肿瘤生长。成纤维细胞被重新训练,为癌细胞的生长提供物理和生化支持,血管的生长提供营养和氧气,而原本可以消灭癌细胞免疫细胞,却经常被癌细胞转化,以促进癌细胞的生长。因为细胞的高度异质性,想探究特异性细胞亚群对癌症的发生发展、转移、免疫逃逸起到的作用或者探究亚群的基因或蛋白找癌症质量创新靶点的,都需要对单细胞进行研究。
图2. Cancer Discov (2021) 11 (4): 933-959.
- 精准医学计划已迈入单细胞时代
图3
- 对比传统组学技术，单细胞组学技术优势明显
图4
- 单细胞蛋白质组学能体现更丰富精准的细胞特征描述
图5
单细胞蛋白组学流程-CellenOne
图6
- CellenOne技术原理
通过自动的机械臂移位，将吸取了细胞悬浮液的喷样针置于高速摄像头前方。喷样针内置压电装置，可控挤压并产生液滴。通过对喷样针的喷射区拍照，含有一个细胞且细胞直径、圆度、荧光强度符合设定的参数时，液滴落进孔板中，含多个细胞的液滴和不含细胞的空液滴则回收到高速摄像头前方的回收管中，可用于再次分配。
- 优点
（1）分选温和：采用压电声学分配技术，具有更低的剪切应力和损耗率，及更高的细胞存活率，适用于大部分细胞类型；
（2）光学监控：采用高级视觉处理技术，通过软件集成的可视反馈自动判断后续分选操作；
（3）高单胞率：确保仅单个细胞进入后续环节，实现真正的单细胞分离，单细胞分离率达98%；
（4）低损失率：含多个细胞的液滴将回收用于再次分配；
（5）全流程自动化：通过机械臂结合纳升级试剂分配系统，实现从细胞悬液到单细胞制备体系全流程集成自动化，确保结果高重现性。
图7
单细胞蛋白组分析示例
图8
单细胞蛋白组相关文献及应用场景
涉及的应用场景特点是有限的细胞异质性(如早期胚胎发育、干细胞分化等)：
表1
文献应用案例一（细胞异质性）
标题：Deciphering lineage specification during early embryogenesis in mouse gastruloids using multilayered proteomics
利用多层蛋白质组学破译小鼠原肠胚早期胚胎发育过程中的谱系特征
- 科学问题
胚胎发育中的胚层形成涉及复杂的基因调控程序，在早期哺乳动物发育中的蛋白质组学研究相对较少
- 样本
利用由小鼠胚胎干细胞（mESCs）形成的类似胚状结构，包括SOX17-RFP+（内胚层）、BRA-GFP+（中胚层）、MT1-BFP+（外胚层）细胞以及未分化的小鼠胚胎干细胞
- 组学
单细胞蛋白质组、蛋白质组、单细胞转录组、CHIP-seq
- 结果
（1）定量了共560个细胞，2259种蛋白质
（2）通过对BRA-GFP+细胞群体（363个细胞）的SCP分析，鉴定了三个不同的细胞亚群，这些亚群与神经中胚层前体（NMPs）、体节和前体中胚层（PSM）的细胞亚型相对应
图9. Cell Stem Cell. S1934-5909(24)00144-9. 10 May. 2024
文献应用案例二（耐药轨迹）
图10
文献应用案例三（药物响应机制）
标题：Single-Cell Chemical Proteomics (SCCP) Interrogates the Timing and Heterogeneity of Cancer Cell Commitment to Death
单细胞化学蛋白质组学（SCCP）研究癌症细胞死亡的时间和异质性
- 科学问题
在细胞层面探索单个腺癌A549细胞对三种抗癌药物（甲氨蝶呤MTX、喜树碱CPT和托莫替TDX）的响应
- 样本
不同时间点药物处理的A549细胞各96个
- 组学
单细胞蛋白质组学
- 结果
（1）经MTX处理的单细胞在不同时间点的蛋白质表达变化，并确定了分别代表未来死亡和存活细胞亚群G1和G2（响应异质性）
（2）通过对比特定药物处理与对照，在细胞层面识别药物靶标及监测
图11
图12
图13. Anal Chem. 2022;94(26):9261-9269.
文献应用案例四（植物方向）
标题：Single-cell proteomics differentiates Arabidopsis rootcell types
单细胞蛋白质组学区分拟南芥根细胞类型
- 背景
单细胞蛋白质组学（SCP）是一种新兴的方法来解决细胞异质性的复杂组织中的多细胞生物。在这里，我们用模式植物拟南芥来证明SCP在植物样品上的可行性。
- 样本
来自皮层和内胚层的分离单细胞，这是来自共同干细胞谱系的两种相邻的根细胞类型。
- 组学
单细胞蛋白质组学
- 结果
从756个根细胞中鉴定出3763个蛋白和1118个蛋白/细胞。经过严格过滤最终定量的3217个蛋白质。其中，鉴定出596种蛋白，其表达在皮层或内胚层中富集，并能够区分这些密切相关的植物细胞类型。总的来说，本研究表明SCP可以解析具有不同功能的邻近细胞类型，从而促进生物标志物和候选蛋白的鉴定。
图14
图15. New Phytol. 2024 Dec;244(5):1750-1759.