Science：利用新的蛋白质图谱技术揭示细胞的内部工作原理

过去十年间，科学研究对遗传密码表达的研究已深入到单细胞层面，旨在通过健康或疾病过程中任何细胞的功能与活动来解析其特性。细胞的身份特性及其异常变化方式，对我们应对癌症、神经退行性疾病以及遗传与发育障碍等重大健康挑战至关重要。单细胞层面的研究使我们能够区分在区域平均水平中可能被掩盖的变异，这对发现疾病的新医疗解决方案具有决定性意义。

大多数单细胞基因表达实验采用单细胞RNA测序技术（scRNA-seq），该技术能精确绘制细胞核内哪些基因被复制成短"转录本"的图谱。然而，scRNA-seq仅能揭示遗传密码与执行（几乎）所有体内任务的蛋白质之间的中间步骤。

科学界早已认识到细胞中mRNA水平与其对应蛋白质水平并不完全一致。这受多种因素影响，包括细胞控制mRNA稳定性及其翻译成蛋白质的复杂方式，以及蛋白质如何被降解——所有这些都以环境依赖性方式发生。

突破技术瓶颈

在一项新的研究中，来自哥本哈根大学芬森实验室、生物技术与创新中心、丹麦技术大学以及慕尼黑赫尔姆霍兹中心的研究团队采用新方法，分析了血细胞形成过程中单个细胞内复杂的蛋白质群体。这种单细胞蛋白质组分析意味着绕过mRNA中间体，直接构建从干细胞分化为成熟血细胞过程中细胞内蛋白质的图谱。

该研究的资深作者之一、哥本哈根大学芬森实验室与生物技术与创新中心的Bo Porse表示："细胞分化过程极其复杂，我们需要完全理解每个细胞在生命各阶段内部发生的细微变化，以应对过程出错的情况。通过这项研究，我们证明了使用该技术精确模拟基因表达各阶段的可行性，涵盖了mRNA合成与降解，以及整个细胞分化过程中的后续蛋白质合成与降解。"

这项发表于《科学》期刊的研究，首次将丹麦技术大学、瑞格斯医院与哥本哈根大学联合开发的技术——即质谱单细胞蛋白质组学（scp-MS）应用于具有生物相关性的器官系统，而非实验室培养的细胞系。

尽管目前尚无法检测每个细胞中的所有蛋白质，但研究人员通过比较传统（已有十年历史的）scRNA-seq方法的mRNA数据与这种新的单细胞蛋白质分析数据，发现在分化程度更高的血细胞中，两个数据集高度相关（即mRNA水平的变化与其对应蛋白质水平的变化一致），而在干细胞和更幼稚的细胞中，数据集相关性较差。这表明在分化早期细胞中，mRNA转录本的周转率、翻译速率或表达蛋白质的稳定性可能随着细胞分化而发生改变。

技术突破的意义

该研究的共同资深作者、丹麦技术大学生物技术与生物医学系副教授、细胞多样性实验室负责人Erwin Schoof表示："这项研究是多年密集技术发展的巅峰。不久前，测量人类骨髓单个干细胞中数千种蛋白质的想法还像是科幻小说。我们从未想象能这么快将scp-MS应用于人类血液系统这样复杂动态的体系。但现在我们做到了，终于能够触及仅靠RNA方法完全无法看到的生物学层面。这证明了质谱、蛋白质水平读取和数据驱动系统生物学在改变我们对细胞命运决定理解方面的力量。"

研究发现与影响

研究人员进一步研究了某些在细胞分化过程中丰度下降、但mRNA水平始终保持稳定的蛋白质。通过基因编辑敲除这些基因，科学家发现这会导致干细胞数量减少。这表明这些蛋白质对维持系统中健康的干细胞群体至关重要，从而确保体内血细胞的充足供应。如果仅分析scRNA-seq数据，这些具有功能相关性的蛋白质将永远无法被识别，它们在这一重要过程中的作用也将被隐藏。

慕尼黑赫尔姆霍兹中心计算健康中心主任、慕尼黑工业大学生物系统数学建模教授Fabian Theis表示："通过将RNA和蛋白质测量整合到动态模型中，我们能够捕获单细胞中基因表达的完整生命周期。这不仅帮助我们理解遗传脚本的内容，还揭示其如何实时执行。这些细胞分辨的蛋白质读数正在为细胞生物学开启全新窗口，令人振奋。"

这项研究标志着单细胞生物学的转折点：能够在原代人类组织中以单细胞分辨率直接测量蛋白质。它开启了发现发育、疾病和再生过程中隐藏调控层面的大门——这些是仅靠RNA永远无法揭示的层面。正如望远镜改变了我们对宇宙的理解，单细胞蛋白质组学正在对生命内部运作做出同样的贡献。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Benjamin Furtwängler et al, Mapping early human blood cell differentiation using single-cell proteomics and transcriptomics, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adr8785.