如何寻找细胞特异性表达蛋白质或发现蛋白质的细胞来源?

蛋白质是生物功能的实际执行者,对疾病的发生发展具有重要驱动或延缓作用。随着单细胞转录组技术的广泛应用,人们进一步认识到,疾病的发生发展往往受不同细胞群的协同调控。
如何将“蛋白质与细胞”联合起来,以明确驱动疾病发生的重要蛋白质来自于哪些特殊细胞群,亦或由整体细胞群共同分泌调控?解答这一关键问题,不仅能助力深入解析疾病背后的分子机制、厘清“基因-表型”的因果关联,更能推动实现从“标志物发现→细胞定位→机制阐释→临床转化”的完整闭环。
一、组学选择
(1)Bulk蛋白质组:刻画疾病进程中的蛋白质异常表达或临床蛋白预后标志物的发现;
①SomaScan P7K/P11K:利用核酸适配体技术靶向检测样本中近7千个或近1.1万个蛋白质表达。因检测高深度,高重现性,无需桥接样本,多批次数据无缝整合等优势,适用于大规模发现临床生物标志物等研究;
② Olink蛋白质组:利用“抗体+DNA寡核苷酸链特异性结合靶蛋白”技术,根据研究类型,可针对性的对与心血管、癌症、炎症、神经、代谢、发育等相关的蛋白进行靶向检测,适用于关注具体的疾病和生理通路研究;
③Astral质谱蛋白质组:利用质谱技术无偏向性的检测样本内中尽可能全部的蛋白质,无样本类型限制或偏好,适用于蛋白质组的无偏向性检测;
(2)单细胞转录组(scRNA-seq):刻画疾病进程中的免疫微环境重塑过程,聚焦异常表达的细胞群及其高变基因的表达变化特征;
二、研究方案

图1 细胞特异性表达蛋白筛选思路
注:
(1)若想实现功能蛋白质主要来源于哪些细胞群,无需保证两组学样本一致性,要求研究物种一致性即可;
(2)若想验证单细胞层面异常表达的基因是否分泌相关蛋白质,则需确保两组学样本一致性;
三、参考案例
案例1:常规蛋白质组+单细胞转录组+空间转录组揭示肿瘤微环境并预测胆道癌中的免疫治疗反应

文章标题:Dynamic urinary proteomics integrates single-cell and spatial transcriptomics to reveal tumour microenvironment and predict immunotherapy response in biliary tract cancer
发表时间:2025.10
发文期刊(IF):Gut(26.2)
发文单位:北京协和医院
为将尿液蛋白质组作为免疫检查点抑制剂(ICIs)响应的预测工具,阐明其与肿瘤动态和肿瘤微环境(TME)重塑在胆道癌(BTC)患者中的关系,作者使用97名接受ICI治疗和211名未接受治疗的胆道癌患者的尿液样本进行蛋白质组检测,11名患者的治疗前肿瘤活检样本进行单细胞RNA测序。研究发现ICIs治疗后,在具有持续良好预后和部分缓解效果(PR)的患者中下调表达的蛋白主要在上皮细胞中富集,暗示肿瘤负荷减少和TME重塑。而在持续发病患者(PD)中,下调表达蛋白主要在间质细胞和免疫细胞中富集,与肿瘤进展相符。机器学习最终筛选出由4种蛋白质组成的良好预后生物标志物list:PTPN13、SUB1、MICAL-L1、VARS1,其中PTPN13阳性上皮细胞可能带来持续的免疫治疗益处,对维持上皮细胞稳态,预防上皮细胞转化为间充质细胞(EMT)和促进细胞凋亡过程有益。而PTPN13阴性细胞则与细胞增殖,肿瘤侵袭和EMT促进有关。该研究开创性的将尿液蛋白质组应用于免疫肿瘤学,提供了一种非侵入性方法来预测和检测ICI的响应,同时对BTC中肿瘤微环境动态提供了机制性见解。

图2 ICI治疗压力下的尿路蛋白质组改变模式
案例2:常规蛋白质组+单细胞转录组揭示补体C5在重度哮喘酸性粒细胞炎症中的作用

文章标题:Role for Complement C5 in Eosinophilic Inflammation of Severe Asthma
发表时间:2025.06
发文期刊(IF):Allergy(12)
发文单位: 广州医科大学附属第一医院、伦敦帝国理工学院
研究表明,哮喘患者体内补体系统(complement system)会被激活,但补体系统在重度哮喘中的作用仍不清晰。作者使用276名重度哮喘患者和62名健康对照组痰液样本进行常规蛋白质组检测,4例重度嗜酸性哮喘和4例健康人群(公共数据)的单细胞转录组测序。蛋白质组发现补体C5可加剧哮喘嗜酸性粒细胞炎症,主要在巨噬细胞亚群中表达,C5的蛋白受体—C5AR2在嗜酸性粒细胞高表达。哮喘患者中表达C5的巨噬细胞比例显著高于慢性咳嗽对照组。同时,哮喘组中C5的蛋白受体—C5aR1在巨噬细胞和嗜酸性粒细胞表达显著高于对照组,表达C5aR1的中性粒细胞在哮喘组和对照组之间无差异,暗示C5aR1的差异表达受特殊细胞群调控。小鼠体内实验再次证明,内源性C5可能促成嗜酸性粒细胞炎症,外源补充C5可能促成支气管炎症和杯状细胞化生。中和C5可缓解粒细胞(granulocytic)和免疫细胞(immune cell)浸润以及粘液表达。

图3 C5在重度哮喘队列中与嗜酸性粒细胞炎症呈正相关
案例3:常规蛋白质组+单细胞转录组+空间转录组揭示帕立骨化醇和羟氯喹联合用药增强胰腺导管腺癌化疗效果的分子机制

文章标题:Mechanism of enhancing chemotherapy efficacy in pancreatic ductal adenocarcinoma with paricalcitol and hydroxychloroquine
发表时间:2024.12
发文期刊(IF):Cell Reports Medicine(10.6)
发文单位:美国阿拉巴马大学伯明翰分校
因存在化疗耐药性,胰管腺癌(PDAC)的预后效果较差。为阐明帕立骨化醇(P)联合羟氯醛(H)增强吉西他滨(G)化疗疗效的分子机制,作者采用多种PDAC模型(包括人源细胞系、小鼠原位移植瘤、PDX模型及临床试验患者样本)和多组学技术系统解析GPH联合方案对肿瘤细胞自噬、肿瘤微环境重塑及免疫激活的影响。结果发现:GPH治疗显著抑制PDAC肿瘤生长并延长生存期。其核心机制为:相比于G或PH治疗,GPH治疗可激活小鼠和人的PDAC细胞系中自噬相关蛋白VD-AMPK通路激活自噬,促进自噬体形成显著延缓肿瘤生长。同时,GPH处理可重塑肿瘤微环境,减少癌症相关成纤维细胞(CAFs),特别是促瘤的myCAF、iCAF亚型,促进M1型巨噬细胞极化,增加CD4+和CD8+T细胞浸润,减少调节性T细胞(Tregs)。最后在临床小群体中使用GPH三联合治疗方案,未观察到超出预期的新增毒性,联合PH添加到GnP方案中安全性可接受,后续需开展更大群体的临床患者进行验证。

图4 GPH联合治疗对原位KPC-Luc肿瘤自噬及内质网应急通路的影响
案例4:常规蛋白质组+单细胞转录组+人工智能生成“蛋白质组学时钟”,根据眼睛蛋白质谱识别眼睛衰老和疾病的细胞驱动因素

文章标题:Liquid-biopsy proteomics combined with AI identifies cellular drivers of eye aging and disease in vivo
发表时间:2023.10
发文期刊(IF):Cell(42.5)
发文单位:斯坦福大学
从活体组织,如眼睛和大脑等非再生器官的单细胞转录组研究极为困难。作者使用120例房水或玻璃体活检样本进行SomaScan检测,结合57种已知健康眼细胞类型,15种健康眼外细胞类型(包括血液和肝细胞),追踪房水中检测到的蛋白质的细胞起源,并开发人功能模型(AI)评估个体细胞衰老。整合蛋白质组和单细胞转录组数据共获得1920种细胞类型特异性标记蛋白,包含单个视网膜细胞类型的细胞特异性标记蛋白、免疫细胞特异性标记蛋白、其它眼部细胞类型特异性蛋白。色素性视网膜炎中,视杆细胞特异性蛋白受到的影响最大。糖尿病视网膜病变(DR)的细胞驱动因素随疾病分期发生转换,主要表现在免疫细胞、血管内皮细胞、周细胞和视网膜神经胶质细胞的特异性蛋白增加,首次发现人体内免疫细胞(如巨噬细胞)是晚期糖尿病视网膜病变的重要分子驱动因素。根据细胞特异性蛋白的变化趋势发现,眼部疾病与疾病相关的特异性细胞的加速衰老有关。最后,作者开发了人工智能模型,实现通过眼部各自细胞的特异性表达蛋白来预测血管、免疫和视网膜年龄。

图5 确认眼部细胞类型特异性蛋白质与PR疾病中细胞特异性蛋白的变化趋势
案例5:常规转录组+常规蛋白质组+单细胞转录组揭示参与小鼠全局调控的骨源性因子

文章标题:An integrated multi-omics analysis reveals osteokines involved in global regulation
发表时间:2024.04
发文期刊(IF):Cell Metabolism(30.9)
发文单位:南方医科大学
作者使用21种来自成年C57BL/6小鼠的不同组织(骨干、颅骨、脊柱、肋软骨、骨髓、骨骼外器官)进行转录组检测,对骨髓上清液、小鼠血清、人类血清进行质谱、SomaScan和细胞因子检测,使用已发表的小鼠骨髓细胞群,成骨细胞、骨细胞、肝脏、大脑、主动脉等单细胞转录组数据。通过转录组+蛋白质组联合,确定出107个骨特异性骨因子(BOKs)、203个与衰老相关的骨源性分泌蛋白(AOKs)、100个机械负荷(loading)或机械卸载(unloading)骨源性分泌蛋白(MOKs)、50个成骨细胞分泌蛋白(OBKs)。对上述获得的蛋白质进行细胞溯源得到345个骨素因子细胞类型。整合骨、肝、脑、主动脉单细胞转录组数据,构建配-受体互作矩阵,并将骨素因子映射到配-受体对中,预测并验证骨素因子如何靶向肝、脑、主动脉细胞调控衰老,动脉粥样硬化等系统性疾病。最后,发现衰老成骨细胞(OB)通过分泌FABP3把衰老表型转递给血管平滑肌细胞(VSMC),为“骨衰老→血管衰老”提供直接因果链。

图6 全局调控的骨源性因子
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