撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)（SCP）已取得顯著進(jìn)展，但其仍主要局限于單一維度，通常僅測量蛋白質(zhì)豐度。

2025 年 3 月 31 日，哥本哈根大學(xué)Jesper Olsen教授、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究院/蘇州系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所葉子璐研究員等人在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell 上發(fā)表了題為：Global analysis of protein turnover dynamics in single cells 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)新技術(shù)——SC-pSILAC（單細(xì)胞脈沖穩(wěn)定同位素標(biāo)記），首次在單細(xì)胞水平實現(xiàn)了蛋白質(zhì)豐度與蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)速率的同步精準(zhǔn)測量，為細(xì)胞異質(zhì)性的研究提供了全新的維度與視角。

盡管在樣本制備和質(zhì)譜（MS）儀器方面近期有所改進(jìn)，但單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)（SCP）分析大多僅測量蛋白質(zhì)豐度，這使得該領(lǐng)域顯得較為單一。蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)（Protein turnover），即蛋白質(zhì)的合成與降解之間的平衡，對于細(xì)胞功能至關(guān)重要，并且調(diào)控著眾多的生物過程和疾病（包括癌癥）。

蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性（以蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)來定義）對于其功能至關(guān)重要，并在多種細(xì)胞和生物機(jī)制中發(fā)揮著調(diào)控作用。蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)動力學(xué)在調(diào)控信號級聯(lián)反應(yīng)和受體的回收/降解方面尤為重要，因此也與多種疾病相關(guān)（包括癌癥）。一個著名的例子是 p53 的活性，它常被稱為基因組的守護(hù)者，其受到降解的調(diào)控。此外，蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)也被制藥/生物技術(shù)行業(yè)用于 PROTAC 藥物，并且能夠提供有關(guān)翻譯后修飾（PTM）動態(tài)的信息，因此是蛋白質(zhì)化學(xué)的一個關(guān)鍵方面。

基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)組學(xué)的一個獨特之處在于，目前它是唯一一種能夠通過細(xì)胞培養(yǎng)中氨基酸的脈沖穩(wěn)定同位素標(biāo)記（pSILAC）技術(shù)實現(xiàn)蛋白質(zhì)合成、降解和周轉(zhuǎn)的無偏且系統(tǒng)性測量的技術(shù)。

然而，到目前為止，pSILAC 僅適用于細(xì)胞系或組織的總體分析，并且只能估算細(xì)胞群體的平均蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率，而細(xì)胞群體通常包含不同的細(xì)胞類型和細(xì)胞狀態(tài)，例如細(xì)胞周期的不同階段。基于顯微鏡的分析表明，蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率在不同細(xì)胞之間存在差異，無論是整體上還是針對單個蛋白質(zhì)而言，而對單個細(xì)胞中蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)的研究為細(xì)胞和分子生物學(xué)提供了額外的功能性見解。然而，此類研究要么局限于非特異性蛋白質(zhì)，要么僅針對數(shù)量很少的特定蛋白質(zhì)。這凸顯了需要一種能夠在單細(xì)胞水平上同時評估蛋白質(zhì)豐度和周轉(zhuǎn)的方法。

在這項研究中，研究團(tuán)隊利用了高靈敏度質(zhì)譜儀器以及數(shù)據(jù)非依賴性采集（DIA）方法的最新進(jìn)展，特別是借助 Orbitrap Astral 實現(xiàn)的窄窗口（n）DIA 的多路復(fù)用 DIA 或 plex-DIA，以及通過改進(jìn)單細(xì)胞蛋白組學(xué)樣品制備提高分析靈敏度，來開展單細(xì)胞脈沖穩(wěn)定同位素標(biāo)記（SC-pSILAC）實驗，以同時分析單細(xì)胞中的蛋白質(zhì)豐度和蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)情況。

研究團(tuán)隊證明了 SC-pSILAC 可在 10 個細(xì)胞及單個 HeLa 細(xì)胞中成功實現(xiàn)超過 4000 和 3000 種蛋白質(zhì)的精準(zhǔn)鑒定與定量，其中絕大多數(shù)蛋白同時具有輕、重穩(wěn)定同位素標(biāo)記，首次在單細(xì)胞層面精準(zhǔn)描繪了蛋白質(zhì)合成與降解的動態(tài)圖譜。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步在人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSC）的無定向分化進(jìn)行了大規(guī)模的時間序列 SC-pSILAC 分析，涵蓋了兩個月內(nèi)的 6 個采樣時間點，并分析了超過 1000 個細(xì)胞。蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)動力學(xué)突出了蛋白質(zhì)復(fù)合物與核心組蛋白周轉(zhuǎn)的分化特異性共調(diào)節(jié)，區(qū)分了分裂細(xì)胞和非分裂細(xì)胞。

最后，將細(xì)胞直徑與單個蛋白質(zhì)的豐度相關(guān)聯(lián)表明，組蛋白和一些細(xì)胞周期蛋白并不隨細(xì)胞大小而變化。

總的來說，該研究開發(fā)的 SC-pSILAC 技術(shù)為單細(xì)胞生物學(xué)中的蛋白質(zhì)動態(tài)提供了多維度視角，在傳統(tǒng)單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)了單細(xì)胞水平上蛋白質(zhì)動態(tài)變化的全局分析，為細(xì)胞分化、細(xì)胞大小調(diào)控、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄后與翻譯后調(diào)控等關(guān)鍵生物學(xué)問題提供了前所未有的工具與寶貴資源，賦予單細(xì)胞多組學(xué)更廣闊的研究維度，更為準(zhǔn)確地刻畫了單細(xì)胞的功能狀態(tài)，可極大地推動細(xì)胞生物學(xué)與生命醫(yī)學(xué)研究的深入發(fā)展。

論文鏈接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00275-2