导语： 当我们试图理解生命的复杂性时，单个细胞成为了关键的探索单元。单细胞蛋白质组学（SCP）作为一种新兴技术，能够深入剖析单个细胞内的蛋白质表达多样性，为我们揭示细胞异质性、疾病机制以及个性化医疗提供了前所未有的视角。近期，质谱技术的重大突破，特别是新型Orbitrap Astral质谱仪的出现，正推动SCP进入一个全新的发展阶段。两项发表在《Nature》上的研究，通过量化单个细胞中表达的一半蛋白质组，预示着SCP在绘制蛋白质组调控图谱方面的能力实现了质的飞跃。
单细胞蛋白质组学：理解生命奥秘的新钥匙
细胞异质性的重要性
长期以来，生物学研究往往将细胞群体视为一个均质的整体进行分析。然而，越来越多的证据表明，即使是来自同一组织或培养环境的细胞，也存在着显著的异质性。这种异质性体现在基因表达、蛋白质表达、代谢状态以及对外部刺激的反应等多个层面。细胞异质性在发育、免疫、疾病发生发展等生物学过程中扮演着至关重要的角色。
例如，在肿瘤微环境中，不同肿瘤细胞的基因表达谱和蛋白质组构成可能存在显著差异，导致它们对药物的敏感性不同。这种异质性是肿瘤耐药性和复发的重要原因。在免疫系统中，不同亚群的免疫细胞具有不同的功能和反应特性，它们之间的相互作用决定了免疫应答的强度和方向。
SCP的独特优势
传统的蛋白质组学研究通常需要大量的细胞样本，这使得我们难以区分细胞群体中的个体差异。单细胞蛋白质组学（SCP）则能够克服这一局限性，直接分析单个细胞内的蛋白质表达情况，从而揭示细胞异质性的本质。
与单细胞基因组学和转录组学相比，SCP具有独特的优势。蛋白质是细胞功能的直接执行者，蛋白质的表达水平和修饰状态能够更直接地反映细胞的生理状态和功能。此外，蛋白质组学还可以检测到转录组学无法检测到的翻译后修饰，如磷酸化、糖基化等，这些修饰对蛋白质的功能调控至关重要。
SCP的应用前景
SCP在生命科学研究和临床医学领域具有广阔的应用前景：
- 发育生物学： SCP可以用于研究胚胎发育过程中细胞命运的决定机制，揭示不同细胞谱系的蛋白质组调控图谱。
- 免疫学： SCP可以用于分析不同亚群免疫细胞的蛋白质表达特征，研究免疫应答的调控机制，开发新型免疫治疗策略。
- 肿瘤生物学： SCP可以用于研究肿瘤细胞的异质性，揭示肿瘤耐药性的机制，开发个性化的肿瘤治疗方案。
- 药物研发： SCP可以用于筛选药物靶点，评估药物的疗效和毒性，加速新药研发进程。
- 疾病诊断： SCP可以用于开发新型疾病诊断标志物，实现疾病的早期诊断和精准分型。
质谱技术的新突破：SCP深度和通量的双重提升
质谱技术在蛋白质组学中的核心地位
质谱（MS）技术是蛋白质组学研究的核心工具。质谱仪能够精确测量离子的质荷比（m/z），从而鉴定和定量蛋白质。在蛋白质组学研究中，通常需要将复杂的蛋白质混合物进行酶解，得到肽段混合物，然后通过液相色谱（LC）将肽段分离，再将分离后的肽段导入质谱仪进行分析。
质谱仪的性能直接决定了蛋白质组学研究的深度和准确性。近年来，质谱技术不断发展，出现了各种新型质谱仪，如Orbitrap质谱仪、三重四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪等。这些新型质谱仪具有更高的灵敏度、分辨率和扫描速度，能够实现对复杂蛋白质组的更深入分析。
Orbitrap Astral质谱仪：单细胞蛋白质组学的新引擎
在单细胞蛋白质组学领域，质谱技术的灵敏度至关重要。由于单个细胞内的蛋白质含量极低，传统的质谱仪难以检测到足够多的蛋白质。为了提高SCP的灵敏度，研究人员不断改进质谱仪的设计和优化分析流程。
近期推出的Orbitrap Astral质谱仪是质谱技术领域的一项重大突破。该仪器结合了传统的Orbitrap分析器和新型Astral分析器，实现了高灵敏度和高分辨率的完美结合。Orbitrap分析器能够进行高分辨率的质量测量，而Astral分析器则具有极高的扫描速度，能够在高达200 Hz的串联质谱扫描速度下实现高灵敏度的检测。
Orbitrap Astral质谱仪的出现，极大地提高了SCP的深度和通量。Bubis等人和Ye等人利用该仪器，成功量化了单个HeLa细胞中表达的一半蛋白质组，吞吐量达到50-120个细胞/天。这一成果标志着SCP在精确绘制蛋白质组调控图谱方面的能力实现了质的飞跃。
样品制备和液相色谱的优化
除了质谱仪的改进外，样品制备和液相色谱的优化也是提高SCP灵敏度的关键。由于单个细胞内的蛋白质含量极低，样品制备过程中任何的损失都会对最终的分析结果产生显著影响。
为了减少样品损失，研究人员开发了各种微型化的样品制备方法。例如，Bubis等人和Ye等人采用了cellenONE（Cellenion）亚微升级细胞和液体分配平台进行样品制备。该平台能够精确分配单个细胞和微量液体，从而减少样品损失和污染。
液相色谱（LC）系统的优化也对提高SCP的灵敏度至关重要。传统的LC系统通常采用较高的流速，这会导致肽段在色谱柱上的扩散，降低分离效率。为了提高分离效率，研究人员开发了低流速的LC系统。
Bubis等人和Ye等人均在传统架构的LC系统（Thermo Fisher Scientific Vanquish）上建立了工作流程，该系统以每天30-80个样品（SPD）的吞吐量运行，通过高达1 μl/min的流速实现快速样品加载。Ye等人还测试了Evosep One LC，该系统使用预形成的色谱梯度，在120 SPD下单个HeLa细胞中检测到超过4500种蛋白质。
《Nature》文章解读：深度SCP的应用实例
Bubis等人：揭示多能干细胞分化过程中的蛋白质组调控
Bubis等人利用其平台表征了多能干细胞在分化前后的蛋白质组，模拟了不同的囊胚细胞谱系，并进一步强调了深度单细胞蛋白质组学（SCP）在阐明细胞异质性方面的能力。
多能干细胞具有自我复制和分化成各种细胞类型的能力，在发育生物学和再生医学领域具有重要的研究价值。Bubis等人通过对多能干细胞分化过程中的蛋白质组进行深入分析，揭示了不同细胞谱系的蛋白质组调控图谱，为我们理解细胞命运的决定机制提供了新的视角。
Ye等人：解析药物靶点和监测细胞分化
Ye等人通过追踪药理学刺激下癌细胞球体的转变，展示了其方法在蛋白质组药物靶点解析中的适用性。研究团队还监测了人类诱导多能干细胞向胚体不同细胞类型的分化过程。
药物靶点是药物发挥作用的关键分子。Ye等人通过对药物刺激下的癌细胞球体进行SCP分析，鉴定了药物的潜在靶点，为药物研发提供了新的思路。此外，他们还利用SCP监测了人类诱导多能干细胞向胚体不同细胞类型的分化过程，为我们理解细胞分化的调控机制提供了新的线索。
深度SCP的局限性与未来展望
尽管Bubis等人和Ye等人的研究在提升单细胞蛋白质组学（SCP）的深度方面取得了显著进展，但在很大程度上依赖于细胞的蛋白质含量，因此也取决于细胞的大小。两项研究作者都提到了测量较小细胞时蛋白质组深度损失的问题。因此，对许多应用而言，SCP可能会受益于未来更灵敏的质谱仪。
未来，随着质谱技术的不断发展和样品制备方法的不断改进，SCP的灵敏度和通量将进一步提高。同时，将深度SCP与其他技术相结合，如单细胞基因组学、转录组学、代谢组学等，有望彻底改变研究细胞过程的分析工具集，从而在个性化医学和疾病机制理解方面取得突破。
结论：单细胞蛋白质组学，未来可期
单细胞蛋白质组学作为一种新兴技术，正在为我们揭示生命的奥秘提供新的视角。质谱技术的突破，特别是Orbitrap Astral质谱仪的出现，正推动SCP进入一个全新的发展阶段。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，SCP将在生命科学研究和临床医学领域发挥越来越重要的作用。我们有理由相信，在不久的将来，SCP将成为我们理解细胞异质性、疾病机制以及开发个性化医疗方案的重要工具。
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