单细胞蛋白质组学(SCP)通过提供单个细胞中蛋白质组的无与伦比的视图，有望彻底改变生物医学。

2025年1月16日，中国医学科学院系统医学研究院叶子璐、丹麦哥本哈根大学Jesper V. Olsen共同通讯在Nature Methods在线发表题为“Enhanced sensitivity and scalability with a Chip-Tip workflow enables deep single-cell proteomics”的研究论文，该研究提出了一个名为Chip-Tip的高灵敏度SCP工作流程，在单个HeLa细胞中识别超过5000种蛋白质。

它还促进了单细胞中翻译后修饰的直接检测，使得不需要特定的翻译后修饰富集。该研究证明了每天处理多达120个无标记SCP样品的可行性。优化的组织解离缓冲液能够有效地对药物治疗的癌细胞球状体进行单细胞解聚，从而完善整体SCP分析。在分析非定向人类诱导的多能干细胞分化时，始终定量人类诱导的多能干细胞中的干细胞标记物OCT4和SOX2，以及不同胚状体细胞中的谱系标记物，如GATA4(内胚层)、HAND1(中胚层)和MAP2(外胚层)。该工作流程为SCP的灵敏度和通量设定了基准，在基础生物学和生物医学中广泛应用于细胞类型特异性标记和治疗靶点的识别。

多细胞生物由特化组织组成，特化组织由各种细胞类型组成，每种细胞类型执行不同的功能。每种细胞类型的独特性质来自其遗传信息与内部因素的相互作用。研究单个细胞至关重要，因为细胞在相同的外部环境下会表现出不同的行为。单细胞RNA测序通过提供基因表达模式、空间细胞结构、细胞异质性和动态细胞反应的粒度视图，改变了细胞生物学。然而，信使核糖核酸(mRNAs)作为基因表达的中间步骤，并不直接反映细胞活性。与单独研究mRNA变化相比，研究蛋白质可以更直接和全面地了解细胞功能、调节机制和疾病过程。蛋白质分析捕捉翻译后修饰(PTMs)、蛋白质多样性和mRNA分析中未反映的功能方面。

单细胞蛋白质组学(SCP)正在成为蛋白质组学的下一个前沿领域，并通过允许直接测量单细胞蛋白质组及其PTMs，增强了人们对细胞分化和疾病的理解。这种能力有助于描述细胞群体中的功能表型，阐明细胞和胚胎发育，预测疾病轨迹，并确定每种细胞类型特有的特定表面标记和潜在治疗靶点。然而，SCP是新生事物，面临着包括有限的序列深度、通量和可重复性在内的挑战，限制了其更广泛的应用。

Chip-Tip SCP的工作流程和结果（图源自Nature Methods）

该研究开发了一种几乎无损的基于LFQ的SCP方法，Chip-Tip，它可以在单个HeLa细胞中识别超过5000种蛋白质和40000种肽。工作流程包括使用cellenONE和proteoCHIP EVO 96进行单细胞分配和样品制备，并直接转移到Evotip disposal trap色谱柱，然后在Orbitrap Astral质谱仪21上使用Evosep One LC进行后续分析，该LC具有与窄窗DIA (nDIA)耦合的Whisper流动梯度。该研究包括对数据库搜索工具的系统评估和使用诱捕方法的错误率估计，以确保可靠的数据分析。

此外，该研究方法能够直接研究单细胞蛋白质组中的PTMs，实现了磷酸化和糖基化的深度覆盖，而无需预先富集。将该技术应用于具有新解离缓冲液的球体样品强调了其稳健性，为单个细胞的蛋白质组复杂性及其对生物过程和疾病状态的影响提供了重要的见解。最后，研究了人类诱导多能干细胞(hiPSCs)通过胚状体(EB)诱导向多种细胞类型的非定向分化。研究人员在hiPSCs中鉴定了4700种蛋白质，在EBs细胞中鉴定了6200种蛋白质，并定量了hiPSCs中低丰度的干细胞转录因子和EBs中不同的细胞谱系标记。该研究标志着SCP领域的一大飞跃，实现了灵敏度的巨大提高，鉴定的蛋白质从大约2，000种增加到5，000–6，500种。这一成就强调了强大的蛋白质组学技术的发展，使研究人员能够更深入地研究单个细胞的分子复杂性。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41592-024-02558-2#Sec22