前沿分子生物学技术(20) 单细胞蛋白分析的发展方向和应用前景

原创 拉基 图灵基因 今天

撰文：拉基

责编：文迪

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亮点：分析了单细胞蛋白组的意义和应用前景，阐述了其在揭示健康和疾病的机制、生物医学研究、临床应用方面可能的应用方向。

Nikolai Slavov在杂志SCIENCE PERSPECTIVE上发表文章“Unpicking the proteome in single cells”，提出基于质谱技术的单细胞蛋白组分析技术可以弥补现有的单细胞测序技术的不足，其可以分析细胞内蛋白、膜结合蛋白和细胞外蛋白，将使关键生物学问题的高通量研究成为可能。

最近，单细胞的高通量RNA测序（转录组学）和基因组学技术已经增加超过1000倍。这个增加推动了单细胞分析表征的发展，其能发现并分类先前露台花园未知的细胞状态。然而，以核酸为基础的技术实际上忽视了一组重要的生物调节因子：蛋白质。许多蛋白质的丰度和活性受到降解和翻译后修饰(PTMs)的调控，而这些调控不能从基因组和转录组的测量中推断出来。此外，基因组测序和转录组测序不能直美莲达接报道蛋白-蛋白相互作用和蛋白定位，足球知识而这对许多信号通路至关重要。每个细胞周围的细胞外基质由蛋白质组成，蛋白质的化学和物理性质，如硬度，也可以在调节细胞行为，在包括增殖、迁移、转移和衰老方面发挥重要作用。然而，目前的单细胞测序工具对细胞外基质的蛋白质组成和生物学作用知之甚少。因此，需要能够在单细胞水平上直接分析细胞内蛋白、膜结合蛋白和细胞外蛋白手镯品牌的方法。

新兴的质谱(MS)技术能够识别和量化蛋白质，有望带来与单细胞蛋白质分析类似的收益。这些蛋白质组学技术将使关键生物学问题的高通量研究成为可能，如基于蛋白质结合、修饰和降解的信号机制，这些问华语金曲奖题长期以来一直难以得到解决。

单细胞蛋白组分析有着悠久的历史，但传统技术的能力相对有限。大多植物凝集素数蛋白质组学方法，如细胞计数法，通过测序、RNA表达和蛋白质测序对转录组和表位进行细胞标引，以及通过标引进行共检测，依靠抗体检测选崇福寺定的蛋白质表位，每个细胞只能分析几十个蛋白质。而且，许多抗体的特异性较低，会导致非特异性蛋白检测。这些问题正在被新兴的MS分析单细胞而不使用抗体的技术所解决，例如单细胞蛋白质组学MS (SCoPE-MS)及其第二代（SCoPE2）。这些方法允许对篮球架安装数百个单细胞样本中的数千种蛋白质进行定量。

清洁和10万买什么车自动化样品制备方法的进步也推动单细胞水平上蛋白质检测进展的进展，将细胞定量和技术的精确度提高100到1000倍，能在单细胞分辨率下提供蛋白质修饰的定量。例如载体蛋白方法可以通过使用含有PTMs的多肽载体来量化PTMs，避免从单个细胞中富集修饰蛋白，从而避免富集相关蛋白的损失。

目前的方法可以定量每个细胞中大约5万个拷贝的蛋白质（典型的人类细胞中蛋白质的中位数），增加肽传递到MS分析仪的效率。总的来说，新兴如何防止脱发的技术在定量低丰度蛋白质和定量更多蛋白质之间提供了一种平衡。这种权衡可以通过同时采样多个肽来缓解。在接下来的几年里，样品制备、肽分离和电离的改进，以及仪器设备的改进，很可能为数以千计的单细胞中500第三中文0多种蛋白质的定量提供条件，而靶向方法将使我们能够分析我们感兴趣的低丰度蛋白质。

质谱方法不仅可以测量单个细胞中蛋白质的丰度和PTMs，而且可以测量它们的复合物和亚细胞定位。当蛋白质形成一个复杂的多肽链时，来自不同蛋白质的多肽链可以靠得足够近，从而被小分子交联，因为只有复合物中的蛋白质可能是交联的，这些肽的丰度可以直接反映复杂的形成和组成。一些交联肽对只能观察到特定的复杂构象，因此这igv些交联肽对可以用来区分活性和非活性复合物。此外，如果一个蛋白质复合物接近细胞器，对复合物和细胞器特异性蛋白之间的交联肽进行质谱分析，可能可以定位亚细胞，这种分析还没有应用于单细胞质谱，但可能是可行的。

单细胞蛋白质组学在生物医学研究中具有广泛的应用前景，例如对单细胞的RNA测序重叠的细胞状态和细胞类型进行分类。有些应用只能通过测量蛋白质来实现，例如，通过定向分化过程的合理工程来产生所需的细胞类型，然后使用激动剂和/或拮抗剂来模拟它们，推动细胞再生疗法的发展。虽然单细胞RNA测序可以识别感兴趣的细胞，但信使RNA的数量不足以代替蛋白质修饰介导的信号传递活动，例如磷酸化或蛋白分裂，单细胞蛋白质组学可以提供一个强大的手段来表征这种信号动力学。

单细胞蛋白质组学另一个潜在的应用是识别从基因型或刺激到表型的一系列分子相互作用。这一目标提出了一个实质性的挑战，在一个通路内相互作用的分子很少被跨大范围的表型状态测量来约束细胞网络模型，这种限制特别明显。下一代单细胞蛋白质分析技术将减少这些假设，从而提高推断机制的有社会实践效性。如果蛋白质,RNA,DNA和代国际妈咪奶粉谢物是通过成千上万个独立的细胞来测量的，它可能可以识别直接的分子相互作用，而不需要对通路的基本方面做出假设。下一代的单细胞分析正准备产生这种类型的数据，这将为系统级理解细胞内和细胞外调节机制奠定基础。

单细胞蛋白质组学也可能有临床应用。来自有限的临qianfu床样本的蛋白质测量是有吸引力的，因为它们直接测量导致疾ros软路由病的信号通路。此外，蛋白质测定法可能比RNA测序更便捷，因为蛋白质具有更少的噪音且蛋白质降解比RNA更慢。此外，蛋白质分析的成本会随着复用的增加而成比例地降低。

下一代基于蛋白质组学的方法将补充现有的方法，同时将重陈江河点转移到描述这些细胞状态的功能表征。单细胞水平的蛋白质组学具有广阔的应用前景，它为揭示健康和疾病的机制、生物医学研究、识别蛋白质分子相互作用提供了可能，在临床上也有应用前景。

参考文献

1. Science 31 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6477,pp. 512-513.

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