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從CNS洞見單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)在免疫、干細胞分化、發(fā)育中的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):1141 發(fā)布日期:2022-4-22  來源:中科新生命
單細胞蛋白質(zhì)組是一項新興的技術(shù),正處于蓬勃發(fā)展的時期。它可以揭示生命體內(nèi)功能的真正執(zhí)行者——蛋白質(zhì)水平的變化,而引起了眾多科研人員的關(guān)注。但是也因為這項技術(shù)剛剛起步,大家對于如何應(yīng)用,如何解決科學(xué)問題還抱有疑惑。因此,今天小編來跟大家分享一下單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)在免疫、干細胞分化、發(fā)育三個領(lǐng)域的應(yīng)用,以期能給大家提供一些思路及靈感。

一、干細胞分化——單細胞組學(xué)揭示原發(fā)性急性髓系白血病干細胞分化過程

文獻名稱Quantitative single-cell proteomics as a tool to characterize cellular hierarchie
發(fā)表期刊Nature Communications(IF 14.919)
樣本類型:原發(fā)性急性髓系白血病細胞
研究思路
· 步驟1:基于單細胞蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)對細胞進行分群;
· 步驟2:比較不同細胞群之間的蛋白質(zhì)差異,并發(fā)現(xiàn)分化的連續(xù)性;
· 步驟3:擬時序分析尋找驅(qū)動細胞分化的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。

主要內(nèi)容:
1. 單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)可對不同分化階段的細胞進行分群
通過流式分選白血病干細胞分化的三個階段的細胞,進行單細胞蛋白質(zhì)組分析;阼b定到的1790個蛋白質(zhì)進行降維分析,可以清晰地分離三個已知的分化階段,再現(xiàn)了FACS分析的結(jié)果。


圖1-1 細胞分群結(jié)果
 
2. 同一類型細胞間蛋白質(zhì)表達呈現(xiàn)差異性
將Blasts和其他細胞的蛋白質(zhì)表達進行比較,從而鑒定到了Blasts和LSC與PROG的差異表達蛋白。有趣的是,這些差異蛋白在同一分化階段也呈現(xiàn)不一樣的表達,表明同一細胞類型的蛋白質(zhì)表達是有差異的,即細胞分化是個連續(xù)性的過程,并且是由一些特定的蛋白質(zhì)信號驅(qū)動的。這是在bulk組學(xué)中無法發(fā)現(xiàn)的。

圖1-2 差異蛋白的表達
 
3. 單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)可進行分化軌跡分析
基于單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)的數(shù)據(jù)進行擬時序分析,結(jié)果顯示細胞的分化軌跡與FACS數(shù)據(jù)一致,LSC位于頂點,分化產(chǎn)生了Blasts和PROG。但又發(fā)現(xiàn)CD38+和CD38-Blasts細胞沿著軌跡輕微分離,說明可能存在兩條平行的分化路徑。接下來繪制了沿著偽時間的蛋白質(zhì)表達譜,揭示了驅(qū)動細胞排序的主要因素。


圖1-3 擬時序分析
 
二、免疫——單細胞多組學(xué)聯(lián)合解析巨噬細胞異質(zhì)性

文獻名稱Single-cell proteomic and transcriptomic analysis of macrophage heterogeneity using SCoPE2
發(fā)表期刊:Genome Biology(13.583)
研究背景:巨噬細胞是具有不同功能和分子表型的先天免疫細胞,但這種多樣性在單細胞蛋白質(zhì)水平上尚未進行深入研究。
樣本類型:PMA激活的單核細胞
研究思路:
· 步驟1:基于單細胞蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)對細胞進行分群;
· 步驟2:通過分析蛋白質(zhì)的表達發(fā)現(xiàn)巨噬細胞存在異質(zhì)性;
· 步驟3:聯(lián)合單細胞轉(zhuǎn)錄組和單細胞蛋白質(zhì)組的數(shù)據(jù)比較RNA和蛋白質(zhì)的共性及差異性。

主要內(nèi)容:
1. 單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)可進行細胞分群
用PMA激活單核細胞的分化后,分選出1490個細胞進行單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)分析,總共鑒定到3042個蛋白質(zhì)。通過PCA分析可將細胞分成兩個主要離散的細胞簇,根據(jù)細胞特異性表達的蛋白質(zhì)可將兩個細胞簇分別對應(yīng)于單核細胞和巨噬細胞。與bulk蛋白質(zhì)組學(xué)相比,相關(guān)性為0.88,說明單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2-1 基于單細胞蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)進行細胞分群
 
2. 巨噬細胞間呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性
為了研究同質(zhì)單核細胞是否會分化為同質(zhì)巨噬細胞,根據(jù)細胞的Fiedler向量值對細胞進行無監(jiān)督光譜分析,表征細胞異質(zhì)性。單核細胞中高表達的蛋白質(zhì)主要與增殖相關(guān),包括染色質(zhì)組織和翻譯;巨噬細胞中富含細胞表面信號傳導(dǎo)和細胞粘附相關(guān)蛋白,與細胞本身的生物功能一致。對巨噬細胞群體進行分析發(fā)現(xiàn),巨噬細胞的蛋白質(zhì)表達呈現(xiàn)連續(xù)性變化,先前鑒定為M1和M2極化的人原代巨噬細胞特異性表達蛋白質(zhì)也在巨噬細胞之間差異表達。


圖2-2 巨噬細胞極化呈連續(xù)性
 
3. 單細胞水平的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組呈現(xiàn)差異性
為了研究RNA和蛋白質(zhì)水平的相似性和差異,利用來自相同生物學(xué)重復(fù)的細胞進行單細胞轉(zhuǎn)錄組分析,與單細胞蛋白質(zhì)組進行比較分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)RNA和蛋白質(zhì)的相關(guān)性呈現(xiàn)雙峰分布,即RNA和蛋白質(zhì)兩個水平既具有共變基因(簇1),也具有呈相反的基因(簇2)。同時發(fā)現(xiàn)蛋白組的數(shù)據(jù)更加緊湊,轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)更加分散,表明RNA檢測中存在更大的生物學(xué)和技術(shù)變異性。


圖2-3 單細胞轉(zhuǎn)錄組和單細胞蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析

三、發(fā)育——單細胞組學(xué)揭示小鼠性腺發(fā)育過程

文獻名稱Dissecting Cell Lineage Specification and Sex Fate Determination in Gonadal Somatic Cells Using Single-Cell Transcriptomics
發(fā)表期刊:Cell Reports(IF 9.432)
研究背景:卵巢和睪丸具有相同的發(fā)育起源,在發(fā)育過程中出現(xiàn)兩性的區(qū)別,而對于在性別決定前性腺細胞譜系知之甚少。
樣本類型:Tg(Nr5a1-GFP)轉(zhuǎn)基因小鼠性腺
研究思路:
· 步驟1:對來自于六個階段的體細胞進行單細胞轉(zhuǎn)錄組分析并進行細胞分群;
· 步驟2:通過擬時序分析研究雌性體細胞發(fā)育過程;
· 步驟3:比較雌性和雄性的細胞分化過程,證明性別二態(tài)性。

主要內(nèi)容:
1. 體細胞可分為四個細胞群體
從六個不同發(fā)育階段的轉(zhuǎn)基因小鼠性腺中,基于熒光蛋白的表達分選出體細胞進行單細胞轉(zhuǎn)錄組檢測,總共有563個細胞進行后續(xù)分析。根據(jù)這563個細胞mRNA的表達,分成了四個細胞簇,基于marker基因及每個簇基因表達的特異性對細胞簇進行定義,分別為早期和基質(zhì)祖細胞,前顆粒細胞和出生后顆粒細胞。并通過GO分析對四個細胞群體的功能進行注釋。


圖3-1 早期卵巢發(fā)育過程中性腺體細胞的分類

2. 建立雌性體細胞發(fā)育譜系
接下來通過擴散圖模擬了細胞的分化趨勢,建立了細胞發(fā)育譜系。結(jié)果顯示顆粒細胞和基質(zhì)細胞是從一個共同的祖細胞群分化而來。沿著擬時序?qū)毎M行排序,繪制隨時間的動態(tài)表達譜,根據(jù)表達模式將基因分類,并進行GO注釋,找到關(guān)鍵的驅(qū)動分化的基因。


圖3-2 早期卵巢發(fā)育過程中性腺體細胞的分化

3. 細胞分化呈現(xiàn)性別二態(tài)性
建立了雌性性腺的發(fā)育圖譜后,又將數(shù)據(jù)與過去的來自雄性性腺的400個體細胞的數(shù)據(jù)進行了整合,進行降維聚類,以及擬時序分析,證明了從D2細胞起細胞的分化開始出現(xiàn)性別差異,證明了性別二態(tài)性。這個文章就是通過單細胞組學(xué)進行降維及擬時序分析,研究細胞的分化過程。


圖3-3 兩種性別的細胞分化過程比較

研究思路總結(jié)
根據(jù)以上文獻可知,現(xiàn)在的單細胞蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)細胞的分群,細胞功能的注釋以及細胞的分化等研究,從蛋白質(zhì)水平上去解決細胞的異質(zhì)性的科學(xué)問題,推薦的研究思路如下:


 
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