​细胞分裂由特定蛋白质的存在和活性控制，这些蛋白质在时间和空间上受转录调节、翻译后修饰以及蛋白质降解的调节。细胞周期研究通常以细胞群体为目标，虽然这些研究增加了我们对细胞周期的理解，但技术上的限制使我们无法研究单细胞蛋白表达的差异性。

单细胞分析技术的出现，给细胞周期研究带来全新的探索。如最近的单细胞RNA测序（scRNA-seq）发现了更多的细胞周期依赖性（CCD）基因[2、3]。蛋白质是细胞功能的主要执行者，通过单细胞蛋白质组学技术（Single-Cell Proteomics）对单个细胞进行深入研究具有很高的价值和互补性。

近日，Nature杂志发表了人类细胞图谱计划（Cell Atlas）主任，来自瑞典皇家理工学院的Emma Lundberg教授团队题为Spatiotemporal dissection of the cell cycle with single-cell proteogenomics的文章。研究运用单细胞的蛋白质组学技术，结合单细胞转录组学，首次报道了人类蛋白质组异质性的时空图谱，系统性在mRNA和蛋白水平上鉴定了细胞周期相关的异质性表达蛋白。研究结果作为人类蛋白质图谱HPA的一部分，将加速人类细胞周期和细胞增殖的分子研究。

人类细胞图谱计划（Cell Atlas）是人类蛋白质图谱（HPA）中的重要组成部分，旨在利用HPA抗体资源、免疫荧光和共聚焦显微镜在亚细胞水平定位人类蛋白质。该研究发现HPA细胞图谱中的大部分蛋白质在丰度或空间分布上表现出细胞间的异质性（18%，2193/12390个），并进一步探索了这些蛋白质异质性是否以及多大程度上与细胞周期进程有关。

研究人员从鉴定到的2193个具有细胞异质性的蛋白质中，选择了1180个在U2OS细胞中表达的蛋白，定制相对应的特异性抗体。利用大规模免疫染色和抗体特异性系统验证，获得单细胞蛋白组学数据。研究总共鉴定了539个细胞周期相关蛋白（CCD蛋白），其中有301个蛋白之前未曾发现与细胞周期相关（新CCD蛋白）（56%），并为许多已知对增殖有重要作用的蛋白建立了精确的时间表达谱。

图. 单细胞成像蛋白基因组学工作流程

研究人员进一步通过分析scRNA-seq数据来研究细胞周期蛋白的时间调节是否可以归因于转录物循环。CCD蛋白与相应的CCD转录组有明显的小重叠，表明蛋白质组循环在很大程度上受翻译或翻译后调控。同时RNA和蛋白质表达峰值时间有所差别，大多数RNA的表达在G1期达到峰值，大多数蛋白质（78%，248/320）在细胞周期结束时达到峰值（在S期和G2期晚期）。具有循环转录物的CCD蛋白质，RNA和蛋白质表达峰值平均延迟8.6小时，与昼夜周期中的报道相当。

图. 细胞周期相关异质性的蛋白质基因组分析

翻译后修饰对于细胞周期调控同样至关重要，研究人员通过比较CCD和非CCD蛋白质上游的激酶来研究PTM调节的差异。结果表明，无论对应的转录物是否循环，PTMs都可能有助于调节蛋白质循环。说明PTM可以调节蛋白质的循环而不需要循环转录物，并且PTM调节可以将单个细胞之间的蛋白质组学变化与包括代谢在内的多种途径联系起来。

值得注意的是，GO富集分析表明，非CCD蛋白质组的异质性可能与细胞分裂以外的功能有关，特别是代谢。这也提示我们以代谢密切相关的酰化修饰，如巴豆酰化、琥珀酰化等在未来细胞间蛋白质组异质性的功能研究中的潜在价值。

研究发现这些新的CCD蛋白可能在细胞增殖中发挥功能作用，并可能代表潜在的诊断或治疗癌症的靶点。正如预期的那样，新的CCD蛋白与人类组织和癌症的增殖活性有关。CCD蛋白对应于对细胞生存至关重要的基因（23%，124/539中的）。CCD蛋白在细胞增殖中起作用，具体作用可分为增殖抑制剂和增强剂。并证实FAM50B可能具有抗增殖功能，CD2BP2促进细胞增殖。

新型细胞周期调节蛋白的功能关联

总的来说，该研究通过单细胞蛋白质基因组学方法绘制人类细胞周期图谱，包含数百种新的细胞周期蛋白及其相应的转录本信息。研究描绘了在单个细胞层面，蛋白质组学在空间和时间上更为完整的变化，为测量和解释单个细胞和亚细胞水平之间的蛋白质组差异提供了基础。

虽然细胞周期研究多停留在群体层面，但这项工作表明，对异质性的群体水平上的理解无法代替单个细胞的观察结果。比如说，尽管人们通常认为增殖细胞之间的差异很大程度上与细胞周期有关，但研究发现在基因相同的细胞中，细胞周期对细胞间蛋白质组变化的贡献不到一半。

值得注意的是，该研究通过设计近千种抗体，在单细胞蛋白质检测深度上实现了突破，但是由于抗体研发周期长、制备成本高昂、实验重复性差等不利因素，很大程度上也限制了抗体成像技术在单细胞蛋白质组学研究中的大规模推广。基于高分辨质谱技术的单细胞蛋白质组学，具有检测深度、通量和精确性的优势，将为单细胞维度上的细胞异质性研究提供有力的技术支持。

参考文献