单细胞蛋白组学通过分析单个细胞的蛋白质含量，让我们深入了解其内部运作机制。了解这一激动人心的领域可帮助我们理解细胞异质性、生物标志物以及单个细胞的其他诸多方面。
自分子生物学技术首次出现以来，大部分时间里，这些技术均依赖于分析从细胞群体中提取的样本，而非单个细胞。许多技术缺乏研究单个细胞的灵敏度，甚至从组织中有效获取单个细胞也颇具挑战性。
然而，近年来多种分析方法的快速发展催生了单细胞组学这一新兴领域，这是一系列旨在在分子水平上研究单个细胞的技术。本文将聚焦单细胞蛋白组学：探讨其原理、应用及未来发展方向。
什么是单细胞蛋白组学？
单细胞蛋白组学是研究单个细胞中蛋白质组成、结构和相互作用的学科。由于蛋白质承担着执行许多细胞功能，因此，相对于单纯研究 DNA 或 RNA，蛋白组学能提供有关细胞行为的更多直接信息。
在单细胞水平上研究蛋白组的核心动机之一，是观察看似同质的细胞群体中存在的细胞异质性。虽然对细胞群体进行的研究可以提供平均值，但揭示该群体内的差异则需要进行单细胞分析。其他应用场景包括样本量极小难以培养的生物体研究。
在单细胞水平上研究蛋白组的核心动机之一，是观察看似同质的细胞群体中存在的细胞异质性。虽然对细胞群体进行的研究可以提供平均值，但揭示该群体内的差异则需要进行单细胞分析。其他应用场景包括样本量极小难以培养的生物体研究。BCC 研究，2017 年单细胞蛋白质分析的市场规模估计约为 1.33 亿美元：到 2022 年，这一数字预计将增长至 2.95 亿美元，五年内增长超过 100%。
单细胞蛋白组学技术概述
单细胞蛋白组学相对于其他单细胞组学方法发展滞后，原因之一是分离、处理和分析单个细胞的蛋白质含量面临巨大挑战。首先，与 DNA 和 RNA 不同，蛋白质无法进行扩增。蛋白质还可能迅速降解，且往往“更具粘性”，这可能导致许多分析方法中出现样本损失或偏倚结果。
尽管如此，仍有大量分析技术可能适用于单细胞蛋白组学。在 2020 年的一篇综述中，Labib 等人根据目的蛋白的位置提出了以下分析方法分类 (1)。
表 1.单细胞蛋白质分析方法
| 表面蛋白分析方法 | 磁性排序流式细胞术 (MagRC) 转录组和表位测序细胞索引 (CITE-seq) RNA 表达和蛋白质测序 (REAP-seq) |
| 细胞表面和细胞质蛋白分析方法 | 镜下检查法 单细胞 Western 印迹， 邻近连接分析 (PLA)， 邻近延伸分析 (PEA) 质谱流式细胞术（飞行时间流式细胞术；CyTOF） 质谱分析。 |
| 质谱分析分析方法 | 分析方法分析方法，可深入解析癌症免疫学、肿瘤学和炎症的单细胞功能蛋白组学 |
每种方法在该应用中各有其独特的优势，例如良好的靶标灵敏度（例如微流控技术）、宽动态范围（例如微刻技术、SCBC）以及能够测量每个细胞中的多种蛋白质（例如质谱流式细胞术和 IsoLight™）。然而，所有这些技术在某一领域表现优异的同时，往往在其他方面存在局限性。
单细胞蛋白组学的潜力
单细胞蛋白组学有望解答生物学的基本问题并拓展我们对细胞行为的理解。例如，在癌症研究中，它可应用于研究肿瘤异质性、耐药性或癌症免疫疗法。
近年来，我们对肿瘤异质性的认识有很大提升。肿瘤细胞增殖迅速且易出错，从而产生具有不同特征的亚群。针对这些肿瘤的候选药物可能仅对某些亚群有效，这种机制可能表现为良好的初始疗效，但同时存在较高的复发和耐药风险。
单细胞蛋白组学方法可在蛋白质水平识别这些亚群，并深入揭示药物对肿瘤内细胞群的作用。
在癌症免疫治疗中，了解免疫细胞（如 T 细胞）的蛋白组及其靶点对于开发成功的治疗方法具有极高价值。例如，肿瘤细胞可表达称为新抗原的突变表位，使其区别于正常细胞，并成为免疫疗法的潜在靶点。了解这些表位及其与 T 细胞受体的相互作用，可指导针对新抗原的癌症免疫疗法开发。
改进单细胞蛋白组学的样本制备
单细胞蛋白组学中，可能实现实质性改进的领域之一是样本制备。为了获得可靠且有力的数据，科学家需要分析大量细胞，因此自动化和标准化成为关键因素。
进行样本解离时，需从周围的细胞外基质 (ECM) 中分离活的单细胞。此类组织处理可通过机械、化学或酶解法（或组合）实现。样本制备的关键目的是保持高细胞活力并获取能代表组织样本的细胞群，例如，通过使用 Cytiva 的VIA Extractor™获取。
下一步的蛋白质分离可通过使用磁珠（例如 Cytiva Mag Sepharose™或Sera-Mag™ SpeedBeads 蛋白 A/G 磁珠）实现标准化和自动化。这些磁珠可通过可靠且高效地捕获低丰度蛋白质，从而以沉降或免疫沉淀技术简化单个细胞中目的蛋白的富集。
单细胞蛋白组学的展望
多种不同的分析技术有望支持单细胞蛋白组学研究。未来几年，我们预计其中至少几种技术将克服现有局限，并提升通量、所分析蛋白质数量或灵敏度。
此外，单细胞多组学（结合不同的组学技术）正成为全面解析细胞状态的新趋势。例如 CITE-seq 和 REAP-seq，这两种技术提供了一种综合方法，可同时分析 RNA 和蛋白质水平。在未来几年，这些方法以及其他多组学策略，有望为我们提供比以往任何时候都更详细的细胞内部运作图景。
Cytiva 通过持续创新支持从事单细胞组学这一快速发展领域的科学家。例如，科学家可以从我们 VIA Extractor™ 组织解离仪的突破性技术中受益。这款首创设备可实现半自动样本解离，将人体和动物实体组织和肿瘤样本处理成活的单细胞，可用于各种单细胞组学分析。
参考文献
- Labib M, Kelley SO. Single-cell analysis targeting the proteome. Nat Rev Chem. 2020:(4):143–158. doi: 10.1038/s41570-020-0162-7
- Marx V. A dream of single-cell proteomics. Nat Methods. 2019;16(9):809-812. doi:10.1038/s41592-019-0540-6