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　　【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】單細(xì)胞分析不僅有助于揭示細(xì)胞在特定環(huán)境下的真正生理過(guò)程，還可以對(duì)稀有細(xì)胞群體進(jìn)行無(wú)歧視的分析，這對(duì)全面了解細(xì)胞群體的分類、特定疾病背景條件下相關(guān)細(xì)胞亞型的發(fā)現(xiàn)以及疾病靶標(biāo)的挖掘都具有十分重要的意義。近5年，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分析化學(xué)所白玉教授課題組在單細(xì)胞組學(xué)研究中取得一系列進(jìn)展，通過(guò)設(shè)計(jì)基于質(zhì)譜標(biāo)簽的信號(hào)放大策略實(shí)現(xiàn)了微量生物樣本的多通道蛋白檢測(cè)(J. Am. Chem. Soc.2019, 141, 72)，發(fā)展了多維有機(jī)質(zhì)譜流式分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞內(nèi)多目標(biāo)蛋白與百余種代謝物的同時(shí)分析，為腫瘤耐藥性機(jī)制研究提供新思路(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1806)。課題組近期對(duì)基于質(zhì)譜的單細(xì)胞組學(xué)分析領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述與展望(TrAC, Trends Anal. Chem. 2023, 164, 117086)。
 

　　單細(xì)胞代謝組學(xué)分析可以系統(tǒng)地“解讀”細(xì)胞的生理和功能狀態(tài)，對(duì)于揭示細(xì)胞表型異質(zhì)性和闡明生物過(guò)程的分子機(jī)制至關(guān)重要。然而，由于現(xiàn)有單細(xì)胞代謝組學(xué)方法存在鑒定深度及其有限，單個(gè)細(xì)胞流式在線分析時(shí)間短導(dǎo)致無(wú)法獲得二級(jí)質(zhì)譜信息，且不具備同分異構(gòu)體區(qū)分能力等諸多難題，單細(xì)胞代謝組學(xué)研究從方法到應(yīng)用均面臨巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，白玉課題組發(fā)展了深度有機(jī)質(zhì)譜流式分析平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)在線高效的細(xì)胞裂解以及高分辨質(zhì)譜分析，單個(gè)細(xì)胞分析時(shí)間較現(xiàn)有技術(shù)延長(zhǎng)40倍，可獲得豐富的用于代謝物鑒定的譜圖，單細(xì)胞代謝物鑒定數(shù)目可達(dá)600種，實(shí)現(xiàn)了普適性的單細(xì)胞異構(gòu)體定性定量分析(圖1)，并揭示了MCF-7乳腺癌細(xì)胞存在的精細(xì)亞型。研究成果以“In-depth organic mass cytometry revealsdifferential contents of 3-hydroxybutanoicacid at the single-cell level”為題，于2024年5月23日發(fā)表在《自然-通訊》期刊上(Nature Commun. 2024,15,4387)。
 

圖1. 深度有機(jī)質(zhì)譜流式分析平臺(tái)的工作原理示意圖
 

　　深度有機(jī)質(zhì)譜流式分析平臺(tái)由在線高效單細(xì)胞裂解裝置和非接觸電噴霧高分辨質(zhì)譜組成。細(xì)胞通過(guò)迪恩流的流體作用在分離毛細(xì)管中實(shí)現(xiàn)單分散，鞘液毛細(xì)管通過(guò)T型三通的方式與分離毛細(xì)管同軸連接。細(xì)胞與鞘液接觸后，通過(guò)在線冰浴超聲促進(jìn)細(xì)胞有效裂解和代謝物管內(nèi)分散。在連續(xù)單細(xì)胞進(jìn)樣條件下，每個(gè)單細(xì)胞可以獲得約25秒的平均分析時(shí)間，該時(shí)間內(nèi)可有效采集高分辨率的一級(jí)以及二級(jí)質(zhì)譜信息。大量的二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)也使得同分異構(gòu)體鑒定和相對(duì)定量成為可能(圖2)。
 

圖2 基于二級(jí)質(zhì)譜信息的單細(xì)胞代謝物深度分析
 

　　基于不同類型腫瘤細(xì)胞的代謝物信息證實(shí)了該流式平臺(tái)具有普適性的細(xì)胞分型能力和異構(gòu)體代謝物區(qū)分能力。利用3-羥基丁酸/4-羥基丁酸的異構(gòu)體相對(duì)含量信息，通過(guò)UMAP可視化方法可成功實(shí)現(xiàn)MCF-7細(xì)胞的3種亞型精細(xì)區(qū)分。結(jié)合10×Genomics單細(xì)胞測(cè)序?qū)嶒?yàn)、蛋白質(zhì)印跡實(shí)驗(yàn)以及熒光流式分選實(shí)驗(yàn)，該研究從轉(zhuǎn)錄組學(xué)水平以及蛋白表達(dá)水平均證實(shí)了3-羥基丁酸的豐度差異是導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞分型的主要原因，且3-羥基丁酸與其下游多種抗氧化應(yīng)激靶蛋白的表達(dá)量呈正相關(guān)，例如金屬硫蛋白MT2A以及異質(zhì)核糖核蛋白hnRNPA1，提示3-羥基丁酸的豐度差異性可能賦予腫瘤細(xì)胞不同的抵抗氧化應(yīng)激環(huán)境的能力。該工作首次觀察到MCF-7細(xì)胞可能存在潛在的細(xì)胞亞型，為深入理解腫瘤異質(zhì)性以及乳腺癌精準(zhǔn)治療提供了新思路。
 

圖3.基于代謝物和異構(gòu)體的腫瘤細(xì)胞可視化聚類和精細(xì)分
 

　　圖4 10×Genomics單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序MCF-7細(xì)胞的UMAP可視化結(jié)果、不同細(xì)胞簇間MT2A和hnRNP A1的歸一化表達(dá)水平以及BHB相對(duì)豐度上述基因表達(dá)水平的變化
 

　　白玉是該論文的通訊作者，化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生秦少杰是該論文的第一作者。該研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等機(jī)構(gòu)的資助。研究工作中測(cè)序數(shù)據(jù)分析得到北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心文路副研究員、盧健森同學(xué)以及于紅敏同學(xué)的大力支持，該研究還得到國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究(北京)北大分中心質(zhì)譜平臺(tái)劉棟老師的大力幫助。
 

　　原標(biāo)題：化學(xué)學(xué)院白玉課題組發(fā)展深度有機(jī)質(zhì)譜流式方法在單細(xì)胞水平揭示3-羥基丁酸的豐度異質(zhì)性