單細(xì)胞多組學(xué)（Single-cell multi-omics）技術(shù)是在單細(xì)胞單組學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)在同一細(xì)胞中測量多種組學(xué)數(shù)據(jù)的前沿技術(shù)，Nature Methods雜志和中國科協(xié)曾將其列為2019年年度技術(shù)和20個重大科學(xué)問題及工程技術(shù)難題之一。單細(xì)胞多組學(xué)技術(shù)可以在單一細(xì)胞個體內(nèi)，同時分析多個基因、蛋白質(zhì)和小分子的表達(dá)情況，從而更全面地揭示細(xì)胞的狀態(tài)和功能，有利于從遺傳信息、信號調(diào)控、蛋白表達(dá)、代謝通路等多層面探究生命活動的奧秘以及疾病的發(fā)生、發(fā)展與治療機制。蛋白質(zhì)作為細(xì)胞生命活動的執(zhí)行者，直接反映了細(xì)胞真實的生命活動狀態(tài)，因此，發(fā)展包括單細(xì)胞蛋白質(zhì)組的多組學(xué)分析技術(shù)具有非常重要的意義。

自2021年，浙江大學(xué)化學(xué)系方群教授團(tuán)隊與浙江大學(xué)良渚實驗室王永成團(tuán)隊和傅旭東團(tuán)隊合作，基于微流控納升級超微量樣品操作技術(shù)、深度單細(xì)胞蛋白質(zhì)組分析技術(shù)和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，發(fā)展了單細(xì)胞同時轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組（Single-cell simultaneous transcriptome and proteome, scSTAP）分析技術(shù)，首次實現(xiàn)針對同一單細(xì)胞個體轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組深度聯(lián)合定量分析。近日，相關(guān)成果在Cell Reports期刊上以“Simultaneous deep transcriptome and proteome profiling in a single mouse oocyte”為題在線發(fā)表（https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.113455）。

圖1 scSTAP單細(xì)胞多組學(xué)分析技術(shù)流程示意圖

在單細(xì)胞中，核酸、蛋白質(zhì)和代謝物等生命物質(zhì)的含量極其微少，如在單個哺乳動物體細(xì)胞中含有的各類蛋白質(zhì)總量一般只有200皮克（10^-12 g）左右。目前，基于核酸標(biāo)記抗體法的CITE-seq等相關(guān)技術(shù)在單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組分析中實現(xiàn)了應(yīng)用的突破。然而，這種基于抗體的靶向蛋白質(zhì)分析方法往往只能分析數(shù)十種至近百種靶向的蛋白質(zhì)，在鑒定深度上受到抗體種類數(shù)量的影響，使其在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用受到限制。

方群團(tuán)隊前期發(fā)展了序控液滴（SODA）微流控技術(shù)，能自動地完成對超微量（納升-皮升級）液滴的復(fù)雜操控,尤其擅長進(jìn)行多步驟的超微量樣品預(yù)處理和分析。針對單細(xì)胞多組學(xué)分析中存在的難點問題，團(tuán)隊發(fā)展了基于SODA納升級液滴精準(zhǔn)分樣的單細(xì)胞多組學(xué)分析策略，同時，為解決轉(zhuǎn)錄組與蛋白組分析的兼容性問題，發(fā)展了兩步法細(xì)胞裂解方法，由此建立了scSTAP分析技術(shù)和平臺。其操作流程是：在納升級體系內(nèi)，將單細(xì)胞裂解形成均勻裂解液，并采用液滴分裂技術(shù)將液滴均勻分成兩份，分別用于基于質(zhì)譜的單細(xì)胞蛋白質(zhì)組分析和單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序分析，從而實現(xiàn)同一單細(xì)胞個體中轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的同時分析（圖1）。

scSTAP分析平臺被應(yīng)用于減數(shù)分裂前后鼠卵單細(xì)胞的多組學(xué)分析，首次實現(xiàn)了同一單個鼠卵細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組與蛋白組同時分析，在GV期和MII期單個鼠卵細(xì)胞樣品中達(dá)到了19948個基因和2663個蛋白質(zhì)組的平均定量水平。在不同時期卵細(xì)胞間轉(zhuǎn)錄與蛋白的差異表達(dá)研究中，鑒定出2392個差異表達(dá)轉(zhuǎn)錄本和127個差異表達(dá)蛋白質(zhì)（圖2）。

圖2 減數(shù)分裂前后鼠卵單細(xì)胞多組學(xué)分析

基于scSTAP平臺，還進(jìn)一步分析了卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的表達(dá)相關(guān)性。研究表明，轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組的整體表達(dá)相關(guān)性較弱，其中，少部分基因（n = 44）在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)表達(dá)水平上具有良好的正相關(guān)性，主要參與蛋白質(zhì)翻譯的調(diào)控與mRNA代謝過程。有趣的是，個別基因在轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)表達(dá)水平上具有負(fù)相關(guān)性，且采用Western blotting技術(shù)驗證了其蛋白質(zhì)表達(dá)的上下調(diào)情況的可靠性。上述結(jié)果為后續(xù)的轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組相關(guān)性研究提供了重要的啟示和可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組的表達(dá)相關(guān)性分析

scSTAP技術(shù)的開發(fā)為實現(xiàn)基于單細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)的多組學(xué)技術(shù)在分析深度上的突破提供了新的解決方案，對未來圍繞單細(xì)胞蛋白質(zhì)組技術(shù)開發(fā)單細(xì)胞三組學(xué)甚至單細(xì)胞全組學(xué)技術(shù)提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文共同第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士生蔣易蓉、浙江大學(xué)良渚實驗室博士后朱樂、曹蘭蕊和浙江大學(xué)化學(xué)系博士生吳瓊，共同通訊作者為浙江大學(xué)化學(xué)系方群教授、浙江大學(xué)良渚實驗室王永成研究員和傅旭東研究員。該項目獲得國家自然科學(xué)基金和科技部等項目的資助。