1至100个细胞蛋白质组的高灵敏度分析技术研究

Single cell proteome contains unique information and functions of a life. Even for a same type human cells, there exists frenquently mutatations in gene codes. Its variants in genes and proteins might cause varitety of diseases. In this project, we aim at a tagart of proteome analysis for 100 down to a single cell to develop ultrasensitve protein identification approaches. Single cell proteome is capable to observe differences among individual cells and to obtain a dynamic changes in those cells. Current proteome analysis methods could only obtain an average value of a protein expression in cells. Such a average value lost informations of many dynamic changes of a cell proteome. Hence single cell proteome analysis can provide powerfule tools for studies of cell’s development, regulation process, and disease’s initiating and developing. In this project, some key technologies, like cell proteome extraction, protein digestion, peptide trapping, and as well as ultrasensitive electro-spray ionization, are developed for extremely low aount of protein analysis. And also, utra-small diameter HPLC columns and swicthing system for online analysis of single cell proteome are fabricated to fit ultrasensitive analytical methods. Such a study will open a new insight into cell proteome working mechanisms.

研究单细胞蛋白组具有重要的生物学意义。人类组织细胞存在编码基因的高频繁变异，是重大疾病发生的起源。本项目围绕1-100个细胞，特别是单个细胞的蛋白质组分析为最终目标，发展超高灵敏度的蛋白质分离鉴定新技术和新方法，获得细胞间蛋白组表达的个体化差异，以观察各细胞个体蛋白组的动态与时空变化。克服常规蛋白组分析中的大量混合细胞表达蛋白质的平均化、不能区分细胞个体间正在发生的生物学变化这一问题。对生命体细胞发育、运转机制、疾病发生与发展研究具有重大学术价值。项目主要研究创新技术和方法，探索、发展适合单细胞的蛋白质组分离鉴定的关键技术与平台，在低拷贝蛋白的在线提取、高效酶解、超细内径色谱柱高效分离、超高灵敏电喷雾、质谱鉴定技术等方面实现新的突破，通过细胞发育或肿瘤细胞蛋白组的个体化差异，研究其蛋白质组时空变化，为生命机制研究提供全新的视角和创新技术手段。

本项目研究发展了从1至100个细胞蛋白质组的高灵敏度分离鉴定新技术新方法。重点研究了单个细胞的取样操控、2纳升体积内细胞的裂解与酶解、20微米超细内径超高效（1.7微米填料）液相色谱柱的制备、3微米超细喷头制作等新技术，实现了超高灵敏度单细胞蛋白组的色谱-质谱鉴定，可鉴定到1.7zmol量级的蛋白质分子（约1000个拷贝数），单个细胞可鉴定到219-587种不等的蛋白质组数据。研究了模式肿瘤细胞（HeLa）的细胞周期，验证了单细胞体积大小与细胞周期间的关系；同时，研究了肾癌组织冷冻切片与激光切割获取组织单细胞技术，通过癌组织不同部位和癌旁组织单细胞的蛋白质组差异，获得了单细胞在组织中的个体差异，癌细胞和非癌细胞的蛋白组个体化表达显著差异。肿瘤细胞的异质性及其与正常细胞的蛋白组显著差异，对进一步探索其肿瘤发生发展过程，提供了新的生物学视角，为疾病早期诊断提供了新技术手段。