Как одноклеточная и пространственная протеомика раскрывают тонкую роль белков в здоровье и болезни

Современные масс-спектрометры позволили ученым детектировать и анализировать почти все белки в образце, включая присутствующие в минимальных количествах. Дальнейший прогресс связан с технологиями одноклеточной и пространственной протеомики, которые идентифицируют белки в отдельных клетках и картируют их расположение в ткани.

Что теперь возможно?

• Раньше: Анализ «усредненного» образца из миллионов лизированных клеток, что стирало уникальность каждой клетки и пространственную неоднородность тканей.
• Сейчас: Одноклеточный анализ с глубиной в тысячи количественно определенных белков на клетку и пространственное профилирование с глубоким, непредвзятым анализом протеома в определенных областях ткани.
• Ключевой аспект: Теперь можно определять не только тип клетки по самым обильным белкам, но и находить субпопуляции внутри типа, видеть переходные состояния и получать биологически значимую информацию за счет воспроизводимого количественного определения белков. Относительное количество белка в клетке А по сравнению с клеткой B может объяснить разную реакцию на лечение.

Какие сложные вопросы можно задать?

Новые подходы позволяют изучать межклеточную коммуникацию (секретом) и то, как популяции клеток в одной области ткани влияют на популяции в другой. Пространственное разрешение помогает понять сигнализацию в ткани и роль различий в количестве белков, например, в устойчивости пациентов к терапии.

Взаимодополняемость с другими -омиками

Одноклеточная протеомика не конкурирует по пропускной способности с геномикой/транскриптомикой, но добавляет критически важный слой информации. После выявления субпопуляций методами секвенирования можно отобрать их (сортировка, лазерная микродиссекция) и детально проанализировать их протеом, чтобы понять, как клетки фактически принимают решения.

Совместные исследования и развитие технологий

Ученые стремятся к коллаборациям для решения биологических вопросов, адаптируя технологию под конкретные задачи. Пример — совместная работа с Мелиной Клаусснитцер по изучению временной дифференцировки клеток на протеомном уровне с одноклеточным разрешением.

Текущие задачи и будущее

• Анализ посттрансляционных модификаций (ПТМ) на уровне одной клетки (фосфорилирование, убиквитилирование, ацетилирование), так как они более показательны для состояния клетки и ключевы для сигналинга. Уже удалось проанализировать широкий спектр модификаций гистонов на уровне одной клетки.
• Следующая задача — изучение фосфорилирования и изменений в сигнальных путях в определенных областях опухолевой ткани для получения клинически значимых данных.
• Развитие биоинформатических инструментов для уверенной идентификации и количественного определения белков/ПТМ при минимальном количестве образца, с активным использованием машинного обучения.
• По словам Стива Карра, поразительные достижения протеомики последних лет — лишь прелюдия к тому, что ожидается в ближайшем будущем.