Method Article

单细胞组蛋白翻译后修饰(sc-hPTM2)多复分析的自动样品制备

DOI:

10.3791/69588

December 19th, 2025

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文介绍了一种采用同位素双链标记策略和ArgC消化,实现单细胞组蛋白翻译后修饰分析的自动化方案。该工作流程使得染色质异质性和表观遗传反应的定量、可重复且高灵敏度的剖析成为可能,且分辨率为单细胞。

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

组蛋白翻译后修饰(hPTMs)是染色质组织和基因表达的核心调控因子。它们的失调与发育、癌症和衰老有关。虽然质谱法是研究hPTM的首选方法,但大多数方案设计用于散装样品,无法解析细胞间的变异性。因此,将组蛋白PTM分析扩展到单细胞层面至关重要,但技术上具有挑战性,因为组蛋白数量低、赖氨酸丰富且经过严重修饰。

本文介绍了利用纳米液体处理进行组蛋白PTM分析的自动化单细胞蛋白质组学工作流程。该系统实现纳米级细胞的处理,作最小且重复性高。工作流程包括使用ArgC Ultra蛋白酶消化,该酶能切割精氨酸残基,避免组蛋白蛋白质组学中通常需要的赖氨酸阻断衍生化步骤。为实现条件间的定量比较,我们采用了双重标记策略,使用丙酸酐及其氘化类似物丙酸酐-d10。这种自动样品制备、同位素复用和ArgC Ultra消化的结合,使单细胞组蛋白PTM分析流程更简洁且灵敏。

该方法能够研究染色质的异质性以及表观遗传扰动在单细胞分辨率下的影响。为演示该工作流程,我们从肝细胞癌细胞中生成球状体,并用丁酸钠处理,这是一种组蛋白去乙酰化酶抑制剂,可诱导高乙酰化。

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

组蛋白是核小体的蛋白质组成部分,核小体是染色质的重复单位。其N端尾部富含赖氨酸和精氨酸残基,且高度受翻译后修饰(PTMs)调控,如乙酰化、甲基化和磷酸化。这些修饰影响DNA的可及性,从而影响转录、复制和修复等控制过程。组蛋白PTM模式的改变与疾病状态密切相关,从癌症到神经退行性变性,1,2。因此,组蛋白PTM分析在表观遗传学和蛋白质组学研究中备受关注。质谱(MS)提供组蛋白修饰的部位特异性和定量分析,但组蛋白带来了独特的分析挑战。它们的氨基酸组成、多修饰位点以及复杂的组合模式使得它们比普通蛋白质更难分析。既有的方案依赖化学衍生物阻断赖氨酸残基,从而在消化前改善肽回收率和色谱性能 3.虽然在大批量分析中有效,但这些多步衍生化协议可能会引入对单胞体输入来说存在问题的损耗。单细胞分析日益重要,因为生物系统本质上具有异质性。体组蛋白分析了许多细胞的平均信号,因此无法捕捉这种变异性。细胞的亚群体在染色质状态上可能存在差异,这些差异可以驱动发育、细胞重编程或药物反应 4,5

本文介绍一种用于多重单细胞组蛋白PTM分析(sc-hPTM2)的自动样本制备方法。该方法依赖CellenONE系统,能够以自动化方式精确分配单个细胞和纳米级试剂。该方法是纳米蛋白质组样品制备(nPOP)方法的变体,nPOP首次在玻璃载玻片6上引入了液滴制备。nPOP平台具备先进的自动化单细胞蛋白质组学技术,但其标准的胰蛋白消化方案因组蛋白含量高且修饰密度高,对组蛋白来说并不理想。我们对CellenONE系统进行了调整,纳入了金标准的组蛋白衍生法,并引入了同位素标记,实现了单细胞分辨率下对组蛋白翻译后修饰的准确和全面定量。具体来说,我们通过使用ArgC超蛋白酶进行蛋白质消化,简化了该方案。与胰蛋白酶不同,ArgC仅在精氨酸残基处切割,无需赖氨酸阻断。这消除了两步衍生策略的需求,简化了协议。此外,该方法采用了使用丙酸酐和丙酸酐-d10的双重同位素标记方案,允许同时分析两个细胞7,3。消化和标记后,单细胞样品通过液相色谱-质谱(LC-MS)/MS(数据无关采集DIA)进行回收和分析。在我们手中,该方法已被证明比之前版本的组蛋白PTMs在定量方面提供了更高的灵敏度和重复性8。

为验证该方法,我们分析了源自HepG2/C3A肝细胞癌细胞的球体中单细胞组蛋白PTM动态。我们用丁酸钠处理这些球状体,丁酸钠是一种经过充分研究的组蛋白去乙酰化酶抑制剂,能增加组蛋白乙酰化,并作为探测染色质调控的基准指标9,10。通过单细胞分辨率比较对照组和丁酸钠处理球体,我们展示了具有代表性的原理验证,凸显了在染色质生物学和癌症表观遗传学中更广泛应用的潜力。值得注意的是,关于该方案,我们参考了之前的一篇关于三维球体10的生长和处理、质谱11中组蛋白肽获取以及使用EpiProfile12软件进行数据分析的相关论文。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 缓冲剂和试剂

  1. HepG2/C3A细胞培养基:准备Dulbecco改良鹰氏培养基(DMEM,4.5g/L葡萄糖),含10%胎儿牛血清(FBS)、非必需氨基酸(1% v/v)、L-谷氨酰胺(1% v/v)和青霉素/链霉素(0.5% v/v)。培养基储存在4°C。
  2. 主混合液:在LC-MS级水中制备ArgC Ultra 60 ng/μL,HEPES 6 mM,n-十二烷基-β-麦芽苷(DDM)0.03%,二硫环醇(DTT)10 mM,液质素级水。
  3. HA溶液:在LC-MS级水中制备1%(v/v)羟胺。
  4. 洗涤液:准备10毫升50:50的乙腈/水混合物,含0.1%(含水/水)甲酸(均为LC-MS级)。
  5. 流动A相(MPA)- 0.1%甲酸:将1毫升浓缩甲酸加入999毫升高效液相色谱级水中,充分混合。
  6. 移动B相(MPB)- 80% HPLC 级乙酰腈 + 0.1% 甲酸:将800毫升HPLC级乙酰腈加入199毫升 HPLC 级水中。接着,加入1毫升浓甲酸并混合。

2. 球体制备

  1. 关于球状体的制备,请参见Stransky S等人11页。
  2. 在旋转的三维(3D)生物反应器中培养肝细胞癌细胞5-7天,以促进球状体均匀形成,直到达到直径~400-600微米。使用DMEM补充10% FBS、1%非必需氨基酸、1% L-谷氨酰胺和0.5%青霉素/链霉素。在治疗前,球体温度保持在37°C和5%的CO2
    注: 图1A 代表参考文献中用于制备球体的设备。

3. 细胞培养与处理

  1. 将~10个球状体放入含有2毫升培养基的组织培养基6孔板中。
  2. 在37°C湿度加湿的5%二氧化碳培养箱中孵育细胞。
  3. 用5毫毫米丁酸钠处理球体24小时,或对照组添加相同体积的水(见图1B)。

4. 细胞分离与单细胞悬浮制备

  1. 处理24小时后,将细胞与1毫升的trypLE在37°C下培养3-5分钟。
  2. 轻轻上下移液,直到球体断裂并获得单细胞。
  3. 将细胞收集到15毫升管中,用冰冷的1倍PBS稀释至10毫升,500 离心机在4°C下离心5分钟,然后抽取上清液。
  4. 将细胞重新悬浮在1毫升冰冷的1xPBS中,加入最终浓度为1微米的Sytox绿色死细胞染色剂。
  5. 将细胞与Sytox green一起在黑暗环境中冰上孵育20分钟。
  6. 用10毫升冰冷的1xPBS冲洗细胞,500 离心机在4°C离心5分钟,然后抽取上清液。
  7. 将细胞重新悬浮在1毫升冰冷的1xPBS中,并加入最终浓度为0.5%的对甲醛(PFA)。
  8. 用PFA在冰上孵育细胞15分钟。
    注意:虽然Sytox green通常因膜渗透性不适合固定,但我们测试了细胞中Sytox Green细胞比例在固定后8小时内保持不变,且无组蛋白泄漏迹象。
  9. 用10毫升冰冷的1xPBS冲洗细胞,500 离心机在4°C离心5分钟,然后抽取上清液。
  10. 在最终浓度200-500 μL下重新合成细胞。
    注意:对于不倾向沉积的小细胞,建议浓度为500细胞/μL;对于倾向沉积的大细胞,建议浓度为200细胞/μL。如果细胞悬浮液容易聚集,吸入前应用40微米滤网过滤,以避免喷嘴堵塞。如果感兴趣的细胞大于40微米且可能存在于样品中,则可使用70微米滤网去除非常大的聚集体。
  11. 将细胞冰藏保存,直到装入仪器进行分类。

5. 软件连接与系统初始化

  1. 打开cellenONE系统(见图2A),启动控制计算机,启动软件,并打开 v2.0-nPOP2 用户工作区;所有必要的字段文件和运行模板都已预加载于此。
  2. 确保仪表冷却器已开启,然后根据仪器当前报告的内部温度设置露点追踪值。
  3. 按照屏幕说明安装在1号和3号槽位,使用PDC-70涂层2型喷嘴(见图2B)。
  4. 将每个喷嘴的脉冲宽度和驱动电压设置为制造商包装上指定的值。
    注意:使用两个独立喷嘴保持分配一致性:一个负责电池悬浮液,另一个负责试剂,因此任何附着在喷嘴上的杂质都不会影响后续滴落。在最终采集步骤同时使用两个喷嘴还能加快样本回收速度。
    1. (关键步骤)为了最大化拾取效率,两个喷嘴之间的z偏移应相差<50微米。通过定义每个喷嘴的最佳接触位置,并在喷嘴设置标签页中比较Z高度读数来确定。
  5. 将加湿器水箱注入去离子水,直至指定的注水线。

6. 液体处理机的预运行配置

  1. 选择要准备的玻片数量(见图2C)。这一选择直接决定了计划分析的单元总数。
  2. 对于2工复用方案(图3A),加载一个320个单元的单片。

7. 在滑套边缘施加二甲基亚硫酸盐(DMSO)“护城河”

注: 图3B 代表了从DMSO护城河开始在cellenONE中准备样品的步骤。为防止液滴蒸发,DMSO会沿载玻片边缘喷洒。

  1. 在主标签页,选择“跑到 0_Dispense_DMSO_Moat”。
  2. 进入 目标设置 标签页,从相应的方案文件夹加载 DMSO_Moat.fld 文件,将 字段数 设置为 Y,与计划处理的幻灯片数量相匹配。
  3. 将150微升LC-MS级DMSO注入新的PCR管,并将其置于CellenWASH站的2号位置,管帽朝向仪器门。
  4. 打开 “运行 ”标签,点击 “开始运行”。系统会吸入10微升DMSO并暂停用户确认液滴稳定性。发射三枚自动投放测试液滴(图4A);如果这三者都完美形成,点击 继续运行
  5. 分配后,喷嘴会自动冲洗,仪器会在所有载玻片上拍摄图像以进行质量控制。检查图像以确认每张载玻片上的DMSO液滴均一,并检查是否有缺失或偏离靶点的液滴(见图4B)。

8. DMSO发放

  1. 标签页中,选择“跑步到 1_Dispense_DMSO”。
  2. 打开 目标设置 标签页,从相应的方案目录导入字段文件 DMSO.fld(图4C),并将 字段数 设置为 Y,与你打算处理的幻灯片数量相匹配。
  3. 将150微升LC-MS级DMSO注入新的PCR管,并将其置于CellenWASH站的2号位置,管帽朝向仪器门。
  4. 打开 “运行 ”标签,点击 “开始运行”。系统会吸入10微升DMSO并暂停用户确认液滴稳定性。发射三枚自动投放测试液滴;如果这三者都完美形成,点击 继续运行
  5. 当喷嘴完成时,软件会自动冲洗喷嘴,并在每张玻片上拍摄图像以保证质量。检查图像以确认每张切片的DMSO液滴均一,并检查是否有缺失或偏离目标的液滴。

9. 细胞分配

  1. 标签页中,选择“跑到 2_Dispense_Cells”。
  2. 目标设置 标签中,打开所选多路复用方案目录的 单元字段文件 子文件夹。
  3. 由于实验涉及两个条件,选择与即将排序样本匹配的字段文件——CellType_A.fld 或 CellType_B.fld。
  4. 文件加载完成后,将 字段数 设置为 Y,使其等于本次运行的总滑动数。
  5. 用真空泵在冰上10分钟,从步骤4.11开始对电池悬浮液进行排气。
  6. 将150微升预备的电池悬浮液转移到干净的CellenVIAL中,然后将瓶盖朝向仪器门的CellenWASH旋转木马1号槽中放置。
  7. 进入 喷嘴设置 标签 >执行任务 ,执行 Take10ul_CellenVIAL_nozzle1 从小瓶中吸入样品。
  8. 停留在 喷嘴设置 标签页,启动单元分配查看器(图5A),并运行映射程序,根据大小和长度定义喷射区和门体。 图5A 所示的单细胞分离参数对应于分离球体HepG2/C3A细胞的精确配置。
  9. 然后通过选择 T > F 来激活荧光模式。将选择模式设置为负数。将大小和强度的隔离参数范围从最小增加到最大值,以确保没有死细胞被隔离。
  10. 用映射参数验证,打开 运行 标签,点击 开始运行,然后按照软件提示作。分液结束后,仪器会自动冲洗喷嘴并拍摄玻片图像,用于检查液滴位置和均匀性。
    注意:在单元格分类过程中,会拍摄运行过程中分离出的每个单元格的图像(图5B)。
  11. 单元分拣结束后,关闭分配窗口。
  12. 将剩余的细胞悬浮物冰藏保存,直到第9节结束;多余的部分可用于后续的批量样本、经验库构建或额外的验证研究。

10. 消化主混合分配

  1. 标签页,选择“ 2_Dispense_Digest_10ulPickup”跑步。
  2. 打开 目标设置 标签,从相应的多路复用方案文件夹加载 Digest.fld ,将 字段数 设置为 Y ,使其等于本次运行的幻灯片数量。
  3. 准备新鲜消化主混合液,用真空泵在冰上解气10分钟(主混合液:ArgC Ultra 60 ng/μL,HEPES 6 mM,DDM 0.03%,DTT 10 mM,LC-MS级水)。
  4. 将20微升主混合液移液器移入384孔板,并将该板放入X1系统中。
  5. “运行 ”标签中,点击 “开始运行 ”,按照提示作。系统吸取试剂后,在提示时确认液滴稳定性。
  6. 在喷嘴完成时,仪器会自动冲洗喷嘴并拍摄每一张滑板;查看图像以确认每个液滴均均接受消化混合物。
  7. 将载玻片孵化一夜以促进消化,保持规定的湿度和露点设置。每个液滴含有~13.5 nL的消化混合物。在~75%相对湿度下进行消化,露点保持在室温下1-2°C,以防止液滴蒸发。

11. 过夜潜伏

  1. 标签页,选择“ 4_Incubation_16h跑”。
  2. 切换到 “跑步 ”标签,点击 “开始运行”。
    注意:仪器每30分钟拍摄载玻片照片,以监测飞沫的状况。如果孵化过程中它们干燥或膨胀,可以根据需要调整露点设置。
  3. 孵化完成后,会弹出一条信息说孵化已完成。
    注意:在酶与底物的高效条件下,快速消化(≤小时)可能实现;这里未评估此项,因此验证条件仍为16小时。

12. 蒸发

注意:在进入标记步骤前,建议检查水滴的状况,确保水肿胀过多,因为水可能会干扰标签的效率。为此,建议采用蒸发阶段。

  1. 标签页,选择“ 5_Evaporation跑”。
  2. 进入 “文件”,“冷却单元控制”,在露 点控制下设置固定控制温度23°C
  3. 切换到 “跑步 ”标签,点击 “开始运行”。干燥过程持续5分钟,仪表会在干燥后自动拍摄玻片的照片。
  4. 检查照片;如果水滴足够干燥,停止运行。如果没有,点击 继续 ,再晾5分钟(见图6A)。
  5. 跑步结束时,切回之前的 露点控制区。

13. 标签分配

  1. 标签页,选择 6_Dispense_PA_Labels的跑步路线。
  2. 进入 目标设置 标签页,从相应的方案文件夹加载 Labels.fld 文件,将 字段数 设置为 Y,匹配计划处理的幻灯片数量。
  3. 将150微升LC-MS级DMSO注入CellenWASH站的2号槽位。
  4. 准备两种标记株的库存溶液,用于多重组蛋白衍生:25%(v/v)丙酸酐在DMSO中,25%(v/v)丙酸酐-d10 在DMSO中。
    注意:在转移到板上前,先对两种溶液进行脱气,以减少气泡形成。
  5. 将每种标记试剂20微升注入384孔板的指定孔中,并将板放入X1系统内。每个液滴接受约10 nL标记试剂(25%丙酸酐或25%丙酸酐-d10 DMSO)。
  6. 切换到 “运行 ”标签,点击 “开始运行”,然后按照提示作。
  7. 让标签在切片上反应1小时。
  8. 喷嘴后,仪器会自动冲洗喷嘴并拍摄每一张玻片。检查图像以确认所有玻片上的液滴分布均匀并正确放置。

14. HA分配

  1. 使用前准备HA溶液并排气。
  2. 装填小瓶。将150微升HA溶液移液管移入干净的PCR管,置于CellenWASH槽2,并将盖子朝向仪器门。
  3. 选择运行配置文件。在 标签页中选择 7_Dispense_Quench
  4. 配置字段文件。打开 目标设置 标签,从相应的多路复用方案文件夹加载HA.fld,并将 字段数 设置为 Y ,使其等于总幻灯片数量。
  5. 开始跑步。进入 “运行”,点击 “开始运行”,并按照屏幕上的指示作。
  6. 孵化。让玻片上的HA反应30分钟。
  7. 确认配药情况。完成后,系统冲洗喷嘴并拍摄每张载玻片的图像——复查这些图像以确认液滴位置和体积均匀。

15. 样品取件

  1. 在WashTray XL中准备洗涤液。
  2. 摆好募捐盘。在每台新鲜的384孔板中,将2微升0.01%(水/水)DDM在液质级水中注入,并将该板放入液体处理机内。
  3. 选择接送路线。在 标签页中,选择配置文件 8_Pickup_2plex
  4. 加载现场文件。打开 目标设置 标签,从正确的多路复用方案目录导入 Pick-up.fld ,并将 字段数 设置为 Y ,使其与幻灯片数量匹配。
  5. 执行跑动。切换到 “运行 ”标签,点击 “开始运行”,然后按照提示作。仪器会收集每一滴液滴,冲洗喷嘴,并对玻片进行成像以供审核,以确认所有样本都已回收。

16. 取货后处理

  1. 用胶纸和离心机短暂封闭384孔板,使液滴流到井底。
  2. 取下锡纸,在真空浓缩器中以低温干燥样品。
  3. 用胶片密封板,并将干燥板存放在-80°C,直到准备进行LC-MS/MS分析。

17. 散装样品制备

  1. 利用第9段剩余的悬浮液,将细胞旋转至1倍PBS中,以获得2000细胞/μL的浓度。该检查应在完成第10节后进行。
  2. 热解:将剩余悬浮液在-80°C速冻10分钟,然后在90°C热冲击10分钟。
  3. 让管子冷却回室温。
  4. 将25微升裂解液转移到PCR管,并加入5微升预备的消化混合物。
  5. 在热循环器中37°C孵育一夜(≈16小时)。
  6. 光标记衍生法:加入5微升新鲜25%(v/v)光标记液,置于乙腈中,培养1小时。
  7. 反应淬灭:加入5微升1%(w/w)羟胺(HA)溶液,培养30分钟。
  8. 将样品置于真空浓缩器中,低温干燥,然后在-80°C下保存,直到准备进行LC-MS/MS测试。

18. LC/MS的设置与数据采集

注:为收集本稿数据,采用LC-MS\MS系统,配备离子光学75微米内径 x 25厘米 x 1.7微米分析柱。

  1. 准备移动相以在高效液相色谱上运行:
    流动A阶段(MPA):HPLC级水中0.1%的甲酸
    移动B相(MPB):0.1%甲酸在HPLC级乙酰腈中
  2. 将高效液相色谱方法编程为30分钟主动梯度:25.7分钟内处理5-23% MPB,2.6分钟内输出23-35% MPB,1.7分钟内处理35-45% MPB,流量为200 nL/min。将自动采样器编程为以0.1% FA + 0.01% DDM重新沉浸样品,实现“干”采集。
  3. 建立MS采集方法以执行数据无关采集(DIA):
    注意:这些设置专为配备FAIMS Pro Duo的Thermo Exploris 480设计,且可能因您的仪器而异。建议使用DIA单细胞蛋白质组学中常见且m/z范围相似的指标,如下所述。
    1. 将MS设置为300-1100 m/z的全扫描,分辨率为120,000,AGC目标为300%,最大注入时间为246毫秒,FAIMSCV为-50 V。
    2. 将MS/MS设置为300-1100 m/z的DIA扫描,分辨率为60,000,隔离窗口为50 m/z,HCD碰撞能量为27%,第一质量为120 m/z,AGC目标为1000%,最大注入时间为118毫秒,FAIMSCV为-50 V。
  4. 从包含单个单元的384孔板上取下箔封。以100细胞/μL的0.1% FA + 0.01% DDM重构散样,并将10 μL转移至空孔,如P24。然后用可穿孔橡胶垫封住板子,放入自动采样器。
  5. 队列运行:先跑大批量样本,然后跑单个单元集合。

19. 数据分析

  1. 用EpiProfile2.1运行原始数据,得到标记了丙酸酐细胞的肽类丰度。
    注意:样本必须在热力学仪器上采集,才能使用EpiProfile 2.1进行数据处理。该软件在其规范版本中提取约250种肽形态,但根据生物体、感兴趣的额外修饰、突变等情况,可以编辑。
  2. 用EpiProfile2.1_D5运行原始数据,得到标记为丙酸酐-d10细胞的肽类丰度。
  3. 通过quantQC程序将元数据与Epiprofile输出进行映射。
  4. 通过与空白样本进行比较,过滤掉失败的样本。
  5. 过滤掉至少50%样本中没有的肽形态。
  6. 过滤掉单细胞强度信号不超过空白细胞150%信号的肽形态。
  7. 获取结果表(图7A),并根据需要进一步处理数据。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

为了演示单细胞组蛋白组学工作流程的应用,我们分析了用5 mM丁酸钠处理的HepG2/C3A细胞球体,持续24小时。采集LC-MS/MS后,原始数据使用EpiProfile处理,分别进行轻度(丙酸酐)和重度(丙酸酐-d10)标记,获得代表肽和组蛋白标记丰度的归一化数据。随后,QuantQC R封装被用来将液体处理机的采集元数据映射到EpiProfile输出,以获取每个细胞的肽含量和相关丰度信息,然后过滤掉至少50%单细胞中检测不一致的肽形态,并排除单细胞强度信号不超过空白细胞150%信号的肽形态。随后通过log(1+x)变换对数据进行归一化,得到用于下游分析的结果表,该表包括一列列出各种肽形态和每个单元格的列,显示各识别肽形态的丰度。

图7A 展示了结果表中代表性的子集,包含前20种组蛋白H3肽形态的定量。这些数值以对照组和丁酸钠处理条件下的相对丰度表示。本概述强调了该工作流程如何以单细胞分辨率检测多种PTM状态,包括甲基化、乙酰化和组合标记。例如,H3K9ac和H3K14ac在丁酸钠处理后均表现出相对丰度增加,这与预期抑制...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

能够在单细胞层面测量组蛋白翻译后修饰,是理解染色质调控真正异质性的关键一步。传统的体检方法为hPTMs在组织中的平均分布提供了宝贵的见解,但它们掩盖了细胞间的变异性,而这种变异性越来越被认可为生物学意义5。单细胞蛋白质组学方法使我们能够解析这一隐藏的复杂层面,揭示可能支撑基因调控差异、细胞可塑性和疾病脆弱性的独特染色质状态4。组蛋白修饰特别适合单细胞探测,因为它们编码了指导转录结果的组合信息13。例如,H3K9ac和H3K14ac标记同时存在,比单个标记10更能指示转录激活。以单细胞分辨率捕捉此类共现模式,是描述染色质地貌及其动态的新视角。

尽管有这些优势,单细胞组蛋白PTM分析在技术上仍然具有挑战性。局限性包括极低的蛋白质输入、需要精确的样本处理,以及难以区分技术噪声与生物噪声5

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

J.C. 是 SCIENION 美国公司的员工。

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们感谢阿尔伯特·爱因斯坦医学院分子细胞遗传学核心的伯尼斯·莫罗博士和山智东博士维护了CellenONE仪器。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1.5毫升微离心管生物辐射2239480
1000 和微型;L宽管径移液头头费舍尔科学14222703
200 和微型;L宽管径移液头头费舍尔科学14222730
384孔PCR板Lo Bind 埃彭多夫30129547
96孔真空歧管米利波尔MAVM0960R
乙腈,Optima LC-MS/MS 级费舍尔科学A955-1
粘着性PCR板箔赛莫飞舍尔AB0626
无水乙腈费舍尔科学AA42311AK标签:散装用的原装溶液
Arg-C Ultra,质谱级普罗梅加VA1831
细胞培养级水科宁25-055-CV
CellenVIALs(玻璃瓶)风景/目录号附带引言
DMSO,无水赛莫飞舍尔D12345标签 库存溶液
数字地面电视西格玛D0632-5G
杜尔贝科改良鹰中型(DMEM)费舍尔科学MT17205CV
胎牛血清费舍尔科学MT35010CV
甲酸热力学28905
甲酸98%–100%支持LC-MS LiChropur西格玛5330020050
汉克的平衡盐溶液(HBSS)费舍尔科学MT21022CV
HEPES(超纯)赛莫飞舍尔11344041
高效液相色谱级乙腈费舍尔科学A955-4
高效液相色谱级水费舍尔科学W5-4
羟胺溶液在H2O中西格玛438227-50ML
L-谷氨酰胺费舍尔科学MT25015CI
正十二烷基-β麦芽苷(DDM)洗衣粉费舍尔科学BN2005
非必需氨基酸费舍尔科学MT25025CI
Orbitrap Exploris 480质谱仪赛莫飞舍尔BRE725539
16%水溶液对甲醛电磁级电子显微镜科学15710-S
PDC-CM(2型涂层)风景/目录号附带引言
青霉素-链霉素费舍尔科学MT3002CI
磷酸盐缓冲生理盐水(PBS),10x,pH值7.4,无RNase赛莫飞舍尔AM9625
Pierce二甲基亚砾(DMSO),LC-MS级赛莫飞舍尔85190
移液枪埃彭多夫Z666467(米利波尔西格玛)
丙酸酐 & ge;99%西格玛240311-50G
丙酸酐-d10 ≥98 原子 % D, & ge;99%(同党)西格玛615692-1G
冷藏离心机热力学75-217-420
SciCHIP H1涂层玻璃滑板风景/目录号附带引言
SpeedVac真空浓缩器(96孔板)热力学15308325天才SPD1010
无菌罩热力学1375
无菌血清移液器费舍尔科学1367549
SYTOX 绿色死细胞染色法,用于流式细胞术赛莫飞舍尔S34860
TrypLE表达酶(1X),无酚红赛莫飞舍尔12604013
漩涡西格玛Z258415
水浴费舍尔科学FSGPD10

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bannister, A. J., Kouzarides, T. Regulation of chromatin by histone modifications. Cell Res. 21 (3), 381-395 (2011).
  2. Jenuwein, T., Allis, C. D. Translating the histone code. Science. 293 (5532), 1074-1080 (2001).
  3. Sidoli, S., Bhanu, N. V., Karch, K. R., Wang, X., Garcia, B. A. Complete workflow for analysis of histone post-translational modifications using bottom-up mass spectrometry: from histone extraction to data analysis. J Vis Exp. (111), e54112(2016).
  4. Budnik, B., Levy, E., Harmange, G., Slavov, N. SCoPE-MS: mass spectrometry of single mammalian cells quantifies proteome heterogeneity during cell differentiation. Genome Biol. 19 (1), 161(2018).
  5. Slavov, N. Single-cell protein analysis by mass spectrometry. Curr Opin Chem Biol. 60 (1), 1-9 (2021).
  6. Leduc, A., Khoury, L., Cantlon, J., Khan, S., Slavov, N. Massively parallel sample preparation for multiplexed single-cell proteomics using nPOP. Nat Protoc. 19 (12), 3750-3776 (2024).
  7. Lund, P. J., Kori, Y., Zhao, X., Sidoli, S., Yuan, Z. F., Garcia, B. A. Isotopic labeling and quantitative proteomics of acetylation on histones and beyond. Methods Mol Biol. 1977 (1), 43-70 (2019).
  8. Cutler, R., et al. Mass spectrometry-based profiling of single-cell histone post-translational modifications to dissect chromatin heterogeneity. Nature Communications. , (2025).
  9. Davie, J. R. Inhibition of histone deacetylase activity by butyrate. J Nutr. 133 (7 Suppl), 2485S-2493S (2003).
  10. Stransky, S., Cutler, R., Aguilan, J., Nieves, E., Sidoli, S. Investigation of reversible histone acetylation and dynamics in gene expression regulation using 3D liver spheroid model. Epigenetics Chromatin. 15 (1), 35-35 (2022).
  11. Stransky, S., et al. Semi-automated phenotypic analysis of functional 3D spheroid cell cultures. J Vis Exp. (1), e65086(2023).
  12. Yuan, Z. F., Sidoli, S., Marchione, D. M., Simithy, J., Janssen, K. A., Szurgot, M. R., Garcia, B. A. EpiProfile 2.0: a computational platform for processing epi-proteomics mass spectrometry data. J Proteome Res. 17 (7), 2533-2541 (2018).
  13. Jenuwein, T., Allis, C. D. Translating the histone code. Science. 293 (5532), 1074-1080 (2001).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Single Cell ProteomicsHistone ModificationsAutomated Sample PreparationMultiplex LabelingChromatin HeterogeneityMass SpectrometryArgC Ultra DigestionSpheroid AnalysisHigh Throughput WorkflowEpigenetic Perturbations

Related Articles