通过镜子单细胞蛋白质组学

大量的蛋白质在细胞(哺乳动物细胞估计有大约100亿蛋白/细胞),甚至少数能够研究帮助科学家破解许多生物奥秘。但更多的仍有待解决,和日益增长的需求,精密医学、单细胞蛋白质组学领域已迅速成熟和适应。

不知疲倦地每一天,研究人员正致力于开发新的方法和技术,使综合剖析,成千上万的蛋白质在单个细胞,在一个可接受的吞吐量。由于这些勤劳的努力,我们对正常生理的理解,以及疾病如何发展和进步,拥有先进的显著。

更重要的是,领导的干细胞蛋白质组研究人员调查识别特定的蛋白质,在干细胞分化中发挥核心作用。通过研究这些蛋白质,可以控制和直接干细胞的分化、再生医学的巨大影响。¹

在本文中,我们仔细看看如何使用单细胞蛋白质组学几个科学家在北美(SCP)技术来辨别疾病的发病机制,提高定向干细胞分化。

需要各种各样的细胞(以及它们的蛋白质)使疾病发生

贾郭助理教授的实验室,安置在分子科学学院,亚利桑那州立大学,坦佩阿兹,美国研究的主要焦点是开发新的基因组学和蛋白质组学技术可以分析单个细胞的大量不同的生物分子的结构组织。通过他们的作品,郭和他的队友收集有价值的信息在复杂疾病如癌症和神经退行性疾病的分子机制。

“我们想知道里面的疾病,或者我们可以如何发展,”郭说。”综合能力概要蛋白质在单个细胞对这些知识是至关重要的。只有通过这些知识我们可以改善诊断和个性化的治疗。”

在生物系统固有的复杂性来自于许多不同类型的结构和功能不同的细胞组成的系统。²这种细胞异质性疾病更加明显,尤其是癌症。选择复杂的多细胞生物中分离单个细胞之间的差异,我们需要一个一个观察细胞。

“与大多数细胞分析、单细胞分析可以揭示细胞异质性,空间组织,基因表达调控,不同细胞类型的相互作用,”郭先生解释说。

郭敬明的集团是应用基于抗体的SCP技术概要神经元,星形胶质细胞和其他细胞在人类的大脑。他们的工作发现,人类海马神经元可以分割成不同的神经元集群基于他们全面的蛋白质表达谱。此外,他们发现不同条件的海马体神经元组成的不同集群。接下来,郭愿“阿尔茨海默氏症的大脑中的不同的细胞类型,并比较细胞类型组成及其三维组织正常和阿尔茨海默氏症的大脑之间的差异,探讨阿尔茨海默病的分子机制”。

郭的实验室使用基于抗体的SCP技术来研究人类的大脑:三个蛋白质顺序沾劈得开的Cy5标记抗体的大脑组织。核与DAPI染色(蓝色)。酒吧、规模50μm。

蛋白质组学引导干细胞分化

因为他们的自我更新能力和分化成多种细胞谱系,干细胞一直严格的研究的主题,在科学和医学更兴奋。能够直接干细胞的分化可以帮助科学家们利用再生医学的巨大潜力这些细胞存在。

当前的在体外定向分化协议依赖于有价值,但有限,知识我们对信号通路参与特定的细胞和组织的发展在活的有机体内。虽然这知识——几十年来获得提供了非常有用的指南,我们有了更多的学习,为了理解的每一个细胞类型。

“这种差距在知识部分源于难以量化单个细胞的信号通路构成高度异构的人体组织,”尼古拉Slavov解释说,东北大学的生物工程学系助理教授,波士顿,MA,美国。

为什么它这么重要观察单个细胞吗?因为解释蛋白质含量平均每根本上是羞愧当样品由异质细胞,澄清Slavov。最明显的警告是,人群平均值可能并不代表任何一个细胞类型。

“例如,蛋白质可能呈双峰分布丰度在整个异构的细胞群,但平均人口水平将对应于没有细胞类型,“Slavov说。“此外,趋势在不同的细胞类型,可能消失甚至扭转这些团体相结合时,与人群平均值测量。”

最近,单细胞RNA-seq方法已经开始描述区分单个细胞的转录异质性,但RNA的水平还不足以描述转录后调控和信号通路。³“所以测量单个细胞的蛋白质含量和信号动力学基本确定,然后工程师所需的信号直接细胞分化成不同的细胞类型。”

主任,去年Bogdan Budnik蛋白质组学、质谱和蛋白质组学实验室资源哈佛大学与Slavov的团队合作,开发一个基于质谱(MS)的单细胞蛋白质组学技术称为“SCoPE-MS”量化超过一千蛋白质区分老鼠胚胎干细胞。⁴启用了单细胞蛋白质组Budnik Slavov解构细胞群和确定蛋白质丰度的关系。单细胞蛋白质组和转录组相比时,他们看到信使rna相关变异似乎是预测蛋白质的共变,即使是在单个细胞。⁴

“但有趣的是,许多基因显示不同的监管模式mRNA和蛋白水平,“Slavov说。“这表明,转录后调节机制中扮演着重要的角色在蛋白质组重建指定血统时,尤其是对发展的基因。”

最近的进步在蛋白质组学的吞吐量和敏感性

SCP的潜力一样令人难以置信的是,仍有与使用相关的挑战。郭先生指出,低丰度蛋白质的单个细胞和蛋白质无法放大基于抗体的SCP的主要障碍。此外,常规化验的多路复用能力低,免疫荧光和免疫组织化学等,提出了另一个挑战。²

“最近,我们已经看到一些芯片的发展,大量血细胞计数和周期性immunofluorescence-based方法可以克服这些问题,”郭说。“一些新的、高度灵敏的分析让许多蛋白质定量在单个细胞异形。”

但是我们不能就此止步。根据郭,甚至几十个蛋白质的是不够的。他们只代表一小部分整个蛋白质组。因此,当前技术的多路复用能力需要扩大。此外,定量概要clinically-archived低表达蛋白质的组织(如formalin-fixed石蜡包埋(FFPE)组织),现有的检测灵敏度分析显著增强。保理的时间元素,希望进一步提高样本的吞吐量。最后,郭先生补充说,新的图像分析算法应制定更精确的细胞分割和信息交流的研究。

单细胞蛋白质组学的敏感性和吞吐量仪器正准备增加数量级由于改善样品制备,自动化、肽分离,多路复用和仪表。(来源:Specht & Slavov JPR 2018)

同意郭,Slavov指出,他的团队正致力于优化单细胞MS方法通过有效的样品制备纯水⁵,实验设计,使多路复用和增强肽测序,⁴和更好的计算策略的分析仪器的数据。

总之,他补充说,SCP可以加快再生疗法的发展。“目前很多方法发展定向分化依靠试错屏幕。这是SCP变得真正有用的地方。SCP技术可以系统地识别和优先级筛选工作,因此加速开发过程。”最后郭和Slavov都在发言中表示,SCP无疑拥有更大的潜力释放主要在神经科学奥秘,癌症,和干细胞生物学。

更新:本文已经被修正以反映的参与Bogdan Budnik博士的哈佛大学的团队在SCoPE-MS方法的发展。本文描述了方法发表2018年10月22日,在基因组生物学。

引用:

¹穆尼奥斯,j .;见鬼,a·J。在干细胞蛋白质组学的角度。基因组医学2009年1 (4),45。

²Mondal m;廖,r;郭,J。、高度多路单量细胞蛋白质的分析。化学——欧洲杂志2018年24 (28),7083 - 7091。

³弗兰克斯,a;Airoldi大肠;Slavov:转录后调节人体组织。PLoS计算生物学2017年13 (5)。

⁴Budnik b;Levy,大肠;Harmange g;Slavov, N。质谱仪,单一的哺乳动物细胞量化蛋白质组异质性在细胞分化。bioRxiv2018年(同行评审前预印本)。

⁵Specht h;Harmange g;珀尔曼·d·h·;埃莫特,大肠;Niziolek z;Budnik b;Slavov, N。为高通量、自动化样品制备单细胞蛋白质组学。bioRxiv2018年。