基于质谱的单细胞分辨的空间蛋白质组学新技术研究

doi:10.7503/cjcu20240299

摘要/Abstract

摘要：

细胞的异质性普遍存在, 单细胞及单细胞分辨的空间蛋白质组学的研究能够帮助人类更加深入地了解疾病机理. 然而, 受限于单细胞中蛋白含量低以及检测技术灵敏度等问题, 单细胞分辨的蛋白质组学的发展面临着一系列重大技术挑战. 近年来, 随着质谱仪器的灵敏度、分辨率和扫描速度等方面的提升, 许多新的基于质谱的单细胞分辨率的空间蛋白组学新技术被开发出来, 并用于定量单个细胞中数千种的蛋白, 给疾病、环境和医药等研究领域提供了高分辨的数据, 具有广阔的应用前景. 本文综合评述了这些基于质谱的单细胞分辨率的空间蛋白质组学的新技术，并对其未来的发展趋势进行了展望.

关键词: 单细胞蛋白质组学, 空间蛋白质组学, 质谱技术

Abstract:

Cell-to-cell heterogeneity prevails in biological systems. Single-cell and single-cell resolved spatial proteomics can help human gain better understanding of the mechanism of any disease. Limited to the extremely low protein content in a single cell and sensitivity of detection technology， the development of the single-cell proteomic technology faces major technical challenges. Over the last few decades， the sensitivity， resolution and scanning speed of mass spectrometry have improved dramatically. Recently， new MS-based single cell resolved spatial proteomics methods have been developed for quantifying thousands of proteins in individual human cells. These spatial proteomics analyses at the single-cell level provide high-resolution data for disease， environment and biochemistry research. This review mainly focuses on the mass spectrometry-based approaches for the study of single-cell resolved spatial proteomics.

Key words: Single-cell proteomics, Spatial proteomics, Mass spectrometry technology

中图分类号:

O657

TrendMD:

沈枫林, 冯兆莹, 方静, 张磊, 刘晓慧, 周新文. 基于质谱的单细胞分辨的空间蛋白质组学新技术研究. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240299.

SHEN Fenglin, FENG Zhaoying, FANG Jing, ZHANG Lei, LIU Xiaohui, ZHOU Xinwen. New Technologies for Mass Spectrometry-based Single-cell Resolved Spatial Proteomics Research. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240299.

图/表 12

Fig.1 New technologies of single⁃cell resolved spatial proteomics research

Fig.2 Singlecell separation technologies(A) FACS; (B) manual cell picking; (C) LCM; (D) microfluidics.

Fig.3 Schematic overview of different microfluidic methods for single⁃cell isolation(A) An aqueous stream of cells is broken up into individual droplets⁃in⁃oil containing random distribution of cells; (B) pneumatic membrane valves use air pressure to close a microfluidic channel by membrane deflection, this stops the flow and can trap a cell; (C) hydrodynamic traps are passive elements that only fit single cells and hold them at one position.

Fig.4 Schematic diagram of CyTOF(A) and IMC(B)

Fig.5 Schematic diagrams of OAD

Fig.6 Schematic diagram of the PiSPA workflow[44](A) Microfluidic liquid handling robot with an insert tube array; (B) sorting of single cells and the multi⁃step pretreatment of the single cell samples; (C) sample preparation steps; (D) insert tubes coupled with sample vials were used as the nanoliter microreactors for sample pretreatment of single cell; (E) LC separation; (F) MS detection； (G) mass spectrometer; (H) mass spectrum.Copyright 2024， Nature Communications.

Fig.7 Proteomic sample preparation with nanoPOTs[45](A) Schematic drawing; (B) photograph showing the nanoPOTs chip with each nanowell filled with 200 nL of colored dye; (C) one⁃pot protocol for proteomic sample preparation and capillary⁃based sample collection.Copyright 2018， Nature Communications.

Fig.8 Schematic diagram of the T⁃SCP workflow[53](A) A Single cells are sorted in a 384⁃well format into 1 µL lysis buffer by FACS with outer wells serving as qualitative and quantitative controls; (B) these tips are automatically picked and peptide nanopackages are eluted in a sub⁃100⁃nL volume; (C) base⁃peak chromatogram of the standardized nanoflow(100 nL/min, orange) and microflow(1 µL/min, blue) gradients with 1 ng of HeLa digest on the StageTip; (D) nanoflow(100 nL/min) and short⁃gradient diaPASEF method combined.Copyright 2022， Molecular systems biology.

Fig.9 Schematic diagram of the One⁃Tip workflow

Fig.10 Schematic diagram of the WinO workflow(A) and the SOP⁃MS workflow(B)

Fig.12 Schematic diagram of the SCoPE2 workflow

参考文献 71

1	Regev A.， Teichmann S. A.， Lander E. S.， Amit I.， Benoist C.， Birney E.， Bodenmiller B.， Campbell P.， Carninci P.， Clatworthy M.， Clevers H.， Deplancke B.， Dunham I.， Eberwine J.， Eils R.， Enard W.， Farmer A.， Fugger L.， Gottgens B.， Hacohen N.， Haniffa M.， Hemberg M.， Kim S.， Klenerman P.， Kriegstein A.， Lein E.， Linnarsson S.， Lundberg E.， Lundeberg J.， Majumder P.， Marioni J. C.， Merad M.， Mhlanga M.， Nawijn M.， Netea M.， Nolan G.， Pe'er D.， Phillipakis A.， Ponting C. P.， Quake S.， Reik W.， Rozenblatt⁃Rosen O.， Sanes J.， Satija R.， Schumacher T. N.， Shalek A.， Shapiro E.， Sharma P.， Shin J. W.， Stegle O.， Stratton M.， Stubbington M. J. T.， Theis F. J.， Uhlen M.， van Oudenaarden A.， Wagner A.， Watt F.， Weissman J.， Wold B.， Xavier R.， Yosef N.， Human Cell Atlas Meeting， P. Elife， 2017， 6
2	Kaern M.， Elston T. C.， Blake W. J.， Collins J. J.， Nat. Rev. Genet.， 2005， 6（6）， 451—464
3	Altschuler S. J.， Wu L. F.， Cell， 2010， 141（4）， 559—563
4	Nat. Methods， 2021， 18（1）， 1
5	Tang F.， Barbacioru C.， Wang Y.， Nordman E.， Lee， C.， Xu N.， Wang X.， Bodeau J.， Tuch B. B.， Siddiqui A.， Lao K.， Surani M. A.， Nat. Methods， 2009， 6（5）， 377—382
6	Mamlouk S.， Childs L. H.， Aust D.， Heim D.， Melching F.， Oliveira C.， Wolf T.， Durek P.， Schumacher D.， Blaker H.， von Winterfeld M.， Gastl B.， Mohr K.， Menne A.， Zeugner S.， Redmer T.， Lenze D.， Tierling S.， Mobs M.， Weichert W.， Folprecht G.， Blanc E.， Beule D.， Schafer R.， Morkel M.， Klauschen F.， Leser U.， Sers C.， Nat. Commun.， 2017， 8， 14093
7	Aebersold R.， Mann M.， Nature， 2016， 537（7620）， 347—355
8	Cui L.， Lu H.， Lee Y. H.， Mass Spectrom. Rev.， 2018， 37（6）， 772—792
9	Lanekoff I.， Sharma V. V.， Marques C.， Curr. Opin. Biotechnol.， 2022， 75， 102693
10	Davis S.， Scott C.， Oetjen J.， Charles P. D.， Kessler B. M.， Ansorge O.， Fischer R.， Nat. Commun.， 2023， 14（1）， 7710
11	Vistain L. F.， Tay S.， Trends Biochem. Sci.， 2021， 46（8）， 661—672
12	Yang S.， Xiong Y.， Du Y.， Wang Y. J.， Zhang L.， Shen F.， Liu Y. J.， Liu X.， Yang P.， Anal. Chem.， 2022， 94（2）， 768—776
13	Arias⁃Hidalgo C.， Juanes⁃Velasco P.， Landeira⁃Vinuela A.， Garcia⁃Vaquero M. L.， Montalvillo E.， Gongora R.， Hernandez A. P.， Fuentes M.， Int. J. Mol. Sci.， 2022， 23（12）， 6707—6725.
14	Melby J. A.， Brown K. A.， Gregorich Z. R.， Roberts D. S.， Chapman E. A.， Ehlers L. E.， Gao Z.， Larson E. J.， Jin Y.， Lopez J. R.， Hartung J.， Zhu Y.， McIlwain S. J.， Wang D.， Guo W.， Diffee G. M.， Ge Y.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2023， 120（19）， e2222081120
15	Johnson K. R.， Gao Y.， Gregus M.， Ivanov A. R.， Anal. Chem.， 2022， 94（41）， 14358—14367
16	Brown M.， Wittwer C.， Clin. Chem.， 2000， 46（8 Pt 2）， 1221—1229
17	Valet G.， J. Biol. Regul. Homeost. Agents.， 2003， 17（3）， 213—222
18	Davey H. M.， Kell D. B.， Microbiol. Rev.， 1996， 60（4）， 641—696
19	Lacombe F.， Belloc F.， Hematol. Cell Ther.， 1996， 38（6）， 495—504
20	McCoy J. P. Jr.， Carey J. L.， Immunol. Ser.， 1990， 53， 171—187
21	Fröhlich J.， König H.， Fems. Microbiol. Rev.， 2000， 24（5）， 567—572
22	Wright G.， Tucker M. J.， Morton P. C.， Sweitzer⁃Yoder C. L.， Smith S. E.， Curr. Opin. Obstet. Gyn.， 1998， 10（3）， 221—226
23	Emmert⁃Buck M. R.， Bonner R. F.， Smith P. D.， Chuaqui R. F.， Zhuang Z.， Goldstein S. R.， Weiss R. A.， Liotta L. A.， Science， 1996， 274（5289）， 998—1001
24	Liu A.， JBT.， 2010， 21（3）， 120—125
25	Mund A.， Coscia F.， Kriston A.， Hollandi R.， Kovacs F.， Brunner A. D.， Migh E.， Schweizer L.， Santos A.， Bzorek M.， Naimy S.， Rahbek⁃Gjerdrum L. M.， Dyring⁃Andersen B.， Bulkescher J.， Lukas C.， Eckert M. A.， Lengyel E.， Gnann C.， Lundberg E.， Horvath P.， Mann M.， Nat. Biotechnol.， 2022， 40（8）， 1231—1240
26	Hu P.， Zhang W.， Xin H.， Deng G.， Front. Cell Dev. Biol.， 2016， 4， 116
27	Bandura D. R.， Baranov V. I.， Ornatsky O. I.， Antonov A.， Kinach R.， Lou X.， Pavlov S.， Vorobiev S.， Dick J. E.， Tanner S. D.， Anal. Chem.， 2009， 81（16）， 6813—6822
28	Yoshida Y.， Yoshio S.， Yamazoe T.， Mori T.， Tsustui Y.， Kawai H.， Yoshikawa S.， Fukuhara T.， Okamoto T.， Ono Y.， Takahashi Y.， Hashida R.， Kawaguchi T.， Taketomi A.， Kanto T.， Cells， 2021， 10（6）， 1495
29	Spitzer M. H.， Gherardini P. F.， Fragiadakis G. K.， Bhattacharya N.， Yuan R. T.， Hotson A. N.， Finck R.， Carmi Y.， Zunder E. R.， Fantl W. J.， Bendall S. C.， Engleman E. G.， Nolan G. P.， Science， 2015， 349（6244）， 1259425
30	Bodenmiller B.， Zunder E. R.， Finck R.， Chen T. J.， Savig E. S.， Bruggner R. V.， Simonds E. F.， Bendall S. C.， Sachs K.， Krutzik P. O.， Nolan G. P.， Nat. Biotechnol.， 2012， 30（9）， 858—867
31	Krishnaswamy S.， Spitze， M. H.， Mingueneau M.， Bendall S. C.， Litvin O.， Stone E.， Pe'er D.， Nolan G. P.， Science， 2014， 346（6213）， 1250689
32	Giesen C.， Wang H. A.， Schapiro D.， Zivanovic N.， Jacobs A.， Hattendorf B.， Schuffler P. J.， Grolimund D.， Buhmann J. M.， Brandt S.， Varga Z.， Wild P. J.， Gunther D.， Bodenmiller B.， Nat. Methods， 2014， 11（4）， 417—422
33	Lohani V.， Anikumar R. A.， Kundu S.， Akhter M. Q.， Bag S.， ACS Omega， 2023， 8（20）， 17499—17510
34	Norris J. L.， Caprioli R. M.， Chem. Rev.， 2013， 113（4）， 2309—2342
35	Flatley B.， Malone P.， Cramer R.， Biochimica. Et. biophysica. Acta.， 2014， 1844（5）， 940—949
36	Schnackenberg L. K.， Thorn D. A.， Barnette D.， Jones E. E.， Metab. Brain. Dis.， 2022， 37（1）， 105—121
37	Zhu X.， Xu T.， Peng C.， Wu S.， Front. Chem.， 2021， 9， 782432
38	Moginger U.， Marcussen N.， Jensen O. N.， Oncotarget， 2020， 11（44）， 3998—4015
39	Hoffmann F.， Umbreit C.， Kruger T.， Pelzel D.， Ernst G.， Kniemeyer O.， Guntinas⁃Lichius O.， Berndt A.， von Eggeling F.， Proteomics Clin. Appl.， 2019， 13（1）， e1700173
40	Malaker S. A.， Quanico J.， Raffo⁃Romero A.， Kobeissy F.， Aboulouard S.， Tierny D.， Bertozzi C. R.， Fournier I.， Salzet M.， Cell Chem. Biol.， 2022， 29（1）， 30—42 e34
41	Kompauer M.， Heiles S.， Spengler B.， Nat. Methods， 2017， 14（1）， 90—96
42	Mund A.， Brunner A. D.， Mann M.， Mol. Cell， 2022， 82（12）， 2335—2349
43	Li Z. Y.， Huang M.， Wang X. K.， Zhu Y.， Li J. S.， Wong C. C. L.， Fang Q.， Anal. Chem.， 2018， 90（8）， 5430—5438
44	Wang Y.， Guan Z. Y.， Shi S. W.， Jiang Y. R.， Zhang J.， Yang Y.， Wu Q.， Wu J.， Chen J. B.， Ying W. X.， Xu Q. Q.， Fan Q. X.， Wang H. F.， Zhou L.， Wang L.， Fang J.， Pan J. Z.， Fang Q.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 1279
45	Zhu Y.， Piehowski P. D.， Zhao R.， Chen J.， Shen Y.， Moore R. J.， Shukla A. K.， Petyuk V. A.， Campbell⁃Thompson M.， Mathews C. E.， Smith R. D.， Qian W. J.， Kelly R. T.， Nat. Commun.， 2018， 9（1）， 882
46	Zhu Y.， Clair G.， Chrisler W. B.， Shen Y.， Zhao R.， Shukla A. K.， Moore R. J.， Misra R. S.， Pryhuber G. S.， Smith R. D.， Ansong C.， Kelly R. T.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2018， 57（38）， 12370—12374
47	Truong T.， Webber K. G. I.， Madisyn Johnston S.， Boekweg H.， Lindgren C. M.， Liang Y.， Nydegger A.， Xie X.， Tsang T. M.， Jayatunge D.， Andersen J. L.， Payne S. H.， Kelly R. T.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2023， 62（34）， e202303415
48	Zhu Y.， Dou M.， Piehowski P. D.， Liang Y.， Wang F.， Chu R. K.， Chrisler W. B.， Smith J. N.， Schwarz K. C.， Shen Y.， Shukla A. K.， Moore R. J.， Smith R. D.， Qian W. J.， Kelly R. T.， Mol. Cell Proteomics， 2018， 17（9）， 1864—1874
49	Xu K.， Liang Y.， Piehowski P. D.， Dou M.， Schwarz K. C.， Zhao R.， Sontag R. L.， Moore R. J.， Zhu Y.， Kelly R. T.， Anal. Bioanal. Chem.， 2019， 411（19）， 4587—4596
50	Liang Y.， Zhu Y.， Dou M.， Xu K.， Chu R. K.， Chrisler W. B.， Zhao R.， Hixson K. K.， Kelly R. T.， Anal. Chem.， 2018， 90（18）， 11106—11114
51	Gebreyesus S. T.， Siyal A. A.， Kitata R. B.， Chen E. S.， Enkhbayar B.， Angata， T.， Lin K. I.， Chen Y. J.， Tu H. L.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 37
52	Yang Z.， Jin K.， Chen Y.， Liu Q.， Chen H.， Hu S.， Wang Y.， Pan Z.， Feng F.， Shi M.， Xie H.， Ma H.， Zhou H.， JACS Au， 2024， 4（5）， 1811—1823
53	Brunner A. D.， Thielert M.， Vasilopoulou C.， Ammar C.， Coscia F.， Mund A.， Hoerning O. B.， Bache N.， Apalategui A.， Lubeck M.， Richter S.， Fischer D. S.， Raether O.， Park M. A.， Meier F.， Theis F. J.， Mann M.， Mol. Syst. Biol.， 2022， 18（3）， e10798
54	Specht H.， Harmange G.， Perlman D. H.， Emmott E.， Niziolek Z.， Budnik B.， Slavov N.， bioRxiv.， 2018， doi： org/10.1101/399774.
55	Leduc A.， Huffman R. G.， Cantlon J.， Khan S.， Slavov N.， Genome Biol.， 2022， 23（1）， 261—290
56	Ye Z.， Sabatier P.， Martin⁃Gonzalez J.， Eguchi A.， Lechner M.， Ostergaard O.， Xie J.， Guo Y.， Schultz L.， Truffer R.， Bekker⁃Jensen D. B.， Bache N.， Olsen J. V.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 2474
57	Shao X.， Wang X.， Guan S.， Lin H.， Yan G.， Gao M.， Deng C.， Zhang X.， Anal. Chem.， 2018， 90（23）， 14003—14010
58	Masuda T.， Inamori Y.， Furukawa A.， Yamahiro M.， Momosaki K.， Chang C. H.， Kobayashi D.， Ohguchi H.， Kawano Y.， Ito S.， Araki N.， Ong S. E.， Ohtsuki S.， Anal. Chem.， 2022， 94（29）， 10329—10336
59	Tsai C. F.， Zhang P.， Scholten D.， Martin K.， Wang Y. T.， Zhao R.， Chrisler W. B.， Patel D. B.， Dou M.， Jia Y.， Reduzzi C.， Liu X.， Moore R. J.， Burnum⁃Johnson K. E.， Lin M. H.， Hsu C. C.， Jacobs J. M.， Kagan J.， Srivastava S.， Rodland K. D.， Steven Wiley H.， Qian W. J.， Smith R. D.， Zhu Y.， Cristofanilli M.， Liu T.， Liu H.， Shi T.， Commun. Biol.， 2021， 4（1）， 265
60	Yang S.， Han Y.， Li Y.， Zhang L.， Yan G.， Yuan J.， Luo Q.， Shen H.， Liu X.， Anal. Chem.， 2023， 95（28）， 10703—10712
61	Bhatia H. S.， Brunner A. D.， Ozturk F.， Kapoor S.， Rong Z.， Mai H.， Thielert M.， Ali M.， Al⁃Maskari R.， Paetzold J. C.， Kofler F.， Todorov M. I.， Molbay M.， Kolabas Z. I.， Negwer M.， Hoeher L.， Steinke H.， Dima A.， Gupta B.， Kaltenecker D.， Caliskan O. S.， Brandt D.， Krahmer N.， Muller S.， Lichtenthaler S. F.， Hellal F.， Bechmann I.， Menze B.， Theis F.， Mann M.， Erturk A.， Cell， 2022， 185（26）， 5040—5058
62	Meding S.， Martin K.， Gustafsson O. J.， Eddes J. S.， Hack S.， Oehler M. K.， Hoffmann P.， J. Proteome Res.， 2013， 12（1）， 308—315
63	Rauser S.， Marquardt C.， Balluff B.， Deininger S. O.， Albers C.， Belau E.， Hartmer R.， Suckau D.， Specht K.， Ebert M. P.， Schmitt M.， Aubele M.， Hofler H.， Walch A.， J. Proteome Res.， 2010， 9（4）， 1854—1863
64	Piehowski P. D.， Zhu Y.， Bramer L. M.， Stratton K. G.， Zhao R.， Orton D. J.， Moore R. J.， Yuan J.， Mitchell H. D.， Gao Y.， Webb⁃Robertson B. M.， Dey S. K.， Kelly R. T.， Burnum⁃Johnson K. E.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 8
65	Li L.， Sun C.， Sun Y.， Dong Z.， Wu R.， Sun X.， Zhang H.， Jiang W.， Zhou Y.， Cen X.， Cai S.， Xia H.， Zhu Y.， Guo T.， Piatkevich K. D.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 7242
66	Thielert M.， Itang E. C.， Ammar C.， Rosenberger F. A.， Bludau I.， Schweizer L.， Nordmann T. M.， Skowronek P.， Wahle M.， Zeng W. F.， Zhou X. X.， Brunner A. D.， Richter S.， Levesque M. P.， Theis F. J.， Steger M.， Mann M.， Mol. Syst. Biol.， 2023， 19（9）， e11503
67	Rosenberger F. A.， Thielert M.， Strauss M. T.， Schweizer L.， Ammar， C.， Madler S. C.， Metousis A.， Skowronek P.， Wahle M.， Madden K.， Gote⁃Schniering J.， Semenova A.， Schiller H. B.， Rodriguez E.， Nordmann T. M.， Mund A.， Mann M.， Nat. Methods， 2023， 20（10）， 1530—1536
68	Budnik B.， Levy E.， Harmange G.， Slavov N.， Genome. Biol.， 2018， 19（1）， 161
69	Petelski A. A.， Emmott E.， Leduc A.， Huffman R. G.， Specht H.， Perlman D. H.， Slavov N.， Nat. Protoc.， 2021， 16（12）， 5398—5425
70	Amstalden van Hove E. R.， Smith D. F.， Heeren R. M.， J. Chromatogr. A， 2010， 1217（25）， 3946—3954
71	Vaysse P. M.， Heeren R. M. A.， Porta T.， Balluff B.， Analyst， 2017， 142（15）， 2690—2712

[1]	黄玉滢, 于成鲲, 刘斯奇, 任艳. 利用无标记单细胞蛋白质组学方法构建小鼠外周血单个核细胞的细胞图谱[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240355.
[2]	霍志远, 周金萍, 马秀敏, 周严, 黄琳. 基于质谱的单细胞多组学分析技术研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(11): 20240389.