Science：单细胞蛋白质组学带你重新认识造血过程

人类造血干/祖细胞（HSPC）的单细胞转录组学分析改变了我们对造血系统的认识。从单细胞快照中捕获分化过程中的过渡细胞状态，让我们能够深入了解细胞异质性并重建分化轨迹。

然而，细胞内mRNA的水平并不完全与对应蛋白质的水平相匹配。这一现象受到多种因素的影响，包括细胞通过复杂的机制调控mRNA稳定性及其翻译过程，以及蛋白质降解速度。

近日，丹麦哥本哈根大学、丹麦技术大学和德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心的科学家们采用一种新方法分析了血细胞形成过程中单个细胞内复杂的蛋白质群体。

这种单细胞蛋白质组学分析绕过了mRNA中间体，构建了从干细胞分化为成熟血细胞过程中细胞内存在的蛋白质图谱。这项研究成果于8月21日发表在《Science》杂志上。

共同通讯作者、哥本哈根大学生物技术研究与创新中心的Bo Porse表示：“细胞分化过程极其复杂，我们需要充分了解每个细胞在其生命各个阶段发生的细微变化，以便在出现问题时及时处理。”

研究人员利用质谱法单细胞蛋白质组学（scp-MS）技术，生成了HSPC体内分化的层次图，涵盖了2,500多个人类CD34+造血干/祖细胞。之后，他们将scp-MS数据与scRNA-seq数据相整合，生成了单细胞多组学数据集。

他们发现，在分化程度较高的血细胞中，这两个数据集具有很强的相关性，但在干细胞和不大成熟的细胞中，这两个数据集之间的相关性较差。这表明，随着细胞不断分化，mRNA转录本的周转速度、翻译速度以及表达蛋白质的稳定性可能会发生变化。

接下来，研究人员分析了一些在细胞分化过程中丰度下降的蛋白质，但其mRNA水平在整个过程中保持稳定。通过基因编辑敲除这些基因，他们发现这会导致干细胞数量减少。

这些结果表明，这些蛋白质对维持系统内健康的干细胞群体至关重要，可确保体内有足够的血细胞供应。仅仅通过分析scRNA-seq数据，这些功能重要的蛋白质将永远无法被鉴定，它们在这一过程中的作用也将无人知晓。

此外，研究人员还证明，对翻译动态的建模可以推断分化过程中的细胞进展，并能更好地解释蛋白质与mRNA之间的差异。

亥姆霍兹慕尼黑研究中心的Fabian Theis教授表示：“通过将RNA和蛋白质测定整合到一个动态模型中，我们可以捕捉单细胞中基因表达的完整生命周期。这不仅有助于我们了解遗传代码中的内容，还能帮助我们了解它如何实时执行。” 他也是文章的通讯作者之一。

这项工作标志着单细胞生物学的一个转折点：能够以单细胞分辨率直接测定原代人体组织中的蛋白质。它为探索发育、疾病和再生过程中隐藏的调控信息打开了大门，而这些信息是RNA本身无法揭示的。

正如望远镜改变我们对宇宙的理解一样，单细胞蛋白质组学正在做同样的事情，揭示生命内部运作的奥秘。