Cell：叶子璐等开发单细胞蛋白组学新技术，实现单细胞蛋白质周转的全局分析

哥本哈根大学 Jesper Olsen 教授、中国医学科学院系统医学研究院/苏州系统医学研究所叶子璐研究员等人在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Global analysis of protein turnover dynamics in single cells 的研究论文。

该研究开发了一种单细胞蛋白质组学新技术——SC-pSILAC（单细胞脉冲稳定同位素标记），首次在单细胞水平实现了蛋白质丰度与蛋白质周转速率的同步精准测量，为细胞异质性的研究提供了全新的维度与视角。

尽管在样本制备和质谱（MS）仪器方面近期有所改进，但单细胞蛋白质组学（SCP）分析大多仅测量蛋白质丰度，这使得该领域显得较为单一。蛋白质周转（Protein turnover），即蛋白质的合成与降解之间的平衡，对于细胞功能至关重要，并且调控着众多的生物过程和疾病（包括癌症）。

蛋白质的稳定性（以蛋白质周转来定义）对于其功能至关重要，并在多种细胞和生物机制中发挥着调控作用。蛋白质周转动力学在调控信号级联反应和受体的回收/降解方面尤为重要，因此也与多种疾病相关（包括癌症）。一个著名的例子是 p53 的活性，它常被称为基因组的守护者，其受到降解的调控。此外，蛋白质周转也被制药/生物技术行业用于 PROTAC 药物，并且能够提供有关翻译后修饰（PTM）动态的信息，因此是蛋白质化学的一个关键方面。

基于质谱的蛋白质组学的一个独特之处在于，目前它是唯一一种能够通过细胞培养中氨基酸的脉冲稳定同位素标记（pSILAC）技术实现蛋白质合成、降解和周转的无偏且系统性测量的技术。

然而，到目前为止，pSILAC 仅适用于细胞系或组织的总体分析，并且只能估算细胞群体的平均蛋白质周转率，而细胞群体通常包含不同的细胞类型和细胞状态，例如细胞周期的不同阶段。基于显微镜的分析表明，蛋白质周转率在不同细胞之间存在差异，无论是整体上还是针对单个蛋白质而言，而对单个细胞中蛋白质周转的研究为细胞和分子生物学提供了额外的功能性见解。然而，此类研究要么局限于非特异性蛋白质，要么仅针对数量很少的特定蛋白质。这凸显了需要一种能够在单细胞水平上同时评估蛋白质丰度和周转的方法。

在这项研究中，研究团队利用了高灵敏度质谱仪器以及数据非依赖性采集（DIA）方法的最新进展，特别是借助 Orbitrap Astral 实现的窄窗口（n）DIA 的多路复用 DIA 或 plex-DIA，以及通过改进单细胞蛋白组学样品制备提高分析灵敏度，来开展单细胞脉冲稳定同位素标记（SC-pSILAC）实验，以同时分析单细胞中的蛋白质丰度和蛋白质周转情况。

研究团队证明了 SC-pSILAC 可在 10 个细胞及单个 HeLa 细胞中成功实现超过 4000 和 3000 种蛋白质的精准鉴定与定量，其中绝大多数蛋白同时具有轻、重稳定同位素标记，首次在单细胞层面精准描绘了蛋白质合成与降解的动态图谱。

研究团队进一步在人类诱导多能干细胞（hiPSC）的无定向分化进行了大规模的时间序列 SC-pSILAC 分析，涵盖了两个月内的 6 个采样时间点，并分析了超过 1000 个细胞。蛋白质周转动力学突出了蛋白质复合物与核心组蛋白周转的分化特异性共调节，区分了分裂细胞和非分裂细胞。

最后，将细胞直径与单个蛋白质的丰度相关联表明，组蛋白和一些细胞周期蛋白并不随细胞大小而变化。

总的来说，该研究开发的 SC-pSILAC 技术为单细胞生物学中的蛋白质动态提供了多维度视角，在传统单细胞蛋白质组学基础上，首次实现了单细胞水平上蛋白质动态变化的全局分析，为细胞分化、细胞大小调控、蛋白质转录后与翻译后调控等关键生物学问题提供了前所未有的工具与宝贵资源，赋予单细胞多组学更广阔的研究维度，更为准确地刻画了单细胞的功能状态，可极大地推动细胞生物学与生命医学研究的深入发展。