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Los recientes avances tecnológicos en genómica (transcriptómica) permiten un análisis exhaustivo y preciso del genoma (transcriptoma) en células individuales 1,2,3. Sin embargo, las tecnologías de proteómica unicelular están muy rezagadas, pero son tan importantes como las tecnologías genómicas (transcriptómicas) 4,5,6,7,8. Además, la abundancia de proteínas no se puede inferir necesariamente de la abundancia de ARNm9, y el proteoma es más complejo y dinámico que el transcriptoma10. Dados estos desafíos, generalmente se utiliza un gran número de poblaciones mixtas de células (es decir, células a granel) para generar datos completos del proteoma 11,12,13. Sin embargo, tales mediciones masivas promedian las variaciones estocásticas de las células individuales, lo que oscurece una importante variabilidad de célula a célula (es decir, la heterogeneidad celular)4,14. Las limitaciones de tales mediciones masivas se vuelven aún más severas cuando las células de interés solo representan una pequeña porción de las poblaciones totales de células (por ejemplo, células madre cancerosas dentro de tumores en una etapa temprana de cáncer). Por lo tanto, existe una gran brecha de conocimiento entre la proteómica unicelular y la genómica (transcriptómica).
Los inmunoensayos basados en anticuerpos (p. ej., citometría de flujo o de masas) se utilizan principalmente para el análisis proteómico dirigido de células individuales 6,7,15,16,17,18. Sin embargo, sufren de baja multiplexación, especificidad limitada y falta de disponibilidad de anticuerpos para nuevas proteínas de interés. La proteómica dirigida basada en espectrometría de masas (MS) ha surgido como una alternativa para la cuantificación precisa de proteínas debido a que está libre de anticuerpos, es de alta multiplexación (≥150 proteínas en un solo análisis19), tiene una alta precisión de cuantificación (cantidades o concentraciones absolutas) y es de alta especificidad y reproducibilidad (≤10% CV)20,21,22,23. Los recientes avances significativos en la preparación de muestras han hecho posible la proteómica unicelular basada en MS para el análisis cuantitativo de proteínas muy abundantes a partir de células humanas individuales. Sin embargo, la proteómica unicelular basada en la EM aún se encuentra en una etapa temprana de infancia. Por ejemplo, la plataforma de MS más avanzada, junto con caudales de RPLC de flujo ultra bajo, solo puede permitir la detección y cuantificación de MS sin etiquetas de ~ 670-870 proteínas del total de ≥ 12,000 proteínas en células HeLa individuales24,25.
En la actualidad, hay seis enfoques proteómicos unicelulares basados en MS disponibles para el análisis de células individuales de mamíferos, de los cuales cuatro son para la proteómica global (nanoPOTS: nanowell based Preparation in One pot for Trace Samples26; iPAD-1: dispositivo integrado de análisis de proteoma para el análisis de células individuales27; análisis proteómico de una sola célula basado en chips OAD (gotas de aceite)28; SCoPE-MS: proteómica unicelular por espectrometría de masas29) y las otras dos son para proteómica dirigida (cLC-SRM: cromatografía líquida asistida por portadores (LC) - monitorización de reacciones seleccionadas (SRM)30; cPRISM-SRM: separaciones de alta presión y alta resolución asistidas por portadores con selección inteligente y multiplexación acopladas a SRM31). Sin embargo, todos estos enfoques tienen inconvenientes técnicos. nanoPOTS, iPAD-1 y OAD reducen el volumen de procesamiento de muestras a 2-200 nL y no están preparados para aplicaciones de sobremesa amplias 26,27,28. Para SCoPE-MS, se agrega un portador TMT (etiqueta de masa en tándem) después del procesamiento de una sola celda, por lo que no puede prevenir eficazmente las pérdidas de adsorción superficial durante el procesamiento de muestras cuando se usa un solo tubo para el procesamiento de una sola celda29, lo que resulta en una baja reproducibilidad con un coeficiente de correlación de solo ~ 0.2-0.4 entre las réplicas32. En el caso de cLC-SRM y cPRISM-SRM, el uso de proteínas exógenas como portador es más adecuado para la proteómica dirigida, ya que los péptidos de proteínas exógenas excesivas son frecuentemente secuenciados por MS/MS, lo que reduce en gran medida la posibilidad de secuenciación de péptidos endógenos de baja abundancia30,31. A diferencia de la proteómica global para la cuantificación relativa, los dos enfoques de proteómica dirigida pueden proporcionar un análisis de proteínas preciso o absoluto de un pequeño número de células con alta reproducibilidad utilizando estándares internos marcados con isótopos pesados a concentraciones conocidas. En comparación con cPRISM-SRM que requiere un fraccionamiento previo de PRISM de alta resolución, lo que da como resultado muchas muestras de fracción que necesitan ser analizadas, cLC-SRM tiene una ventaja significativa en el rendimiento de muestras sin fraccionamiento y puede cuantificar simultáneamente cientos de proteínas en un solo análisis, pero con una sensibilidad de detección relativamente menor30. Por lo tanto, cLC-SRM es más accesible y debería tener utilidades más amplias para el análisis preciso de proteínas multiplexadas de pequeñas cantidades de células, así como de muestras de masa limitada.
En este trabajo describimos un protocolo detallado para realizar cLC-SRM para un análisis proteómico dirigido conveniente de pequeñas cantidades de células humanas, incluidas las células individuales. El protocolo consta de los siguientes pasos principales: clasificación celular por FACS (clasificación celular activada por fluorescencia), lisis celular y digestión procesada en tubos de reacción en cadena de polimerasa (PCR) de bajo volumen, recopilación de datos LC-SRM y análisis de datos SRM utilizando el software Skyline disponible públicamente (Figura 1). Su amplia utilidad se demostró junto con nuestros ensayos SRM previamente bien establecidos mediante la cuantificación absoluta dirigida de las proteínas de la vía EGFR/MAPK en células 1-100 MCF7 o MCF10A y la determinación de copias de proteínas de la vía por célula en un amplio rango dinámico de concentraciones30. Anticipamos que con el protocolo detallado, la mayoría de los investigadores de proteómica pueden implementar fácilmente cLC-SRM en sus laboratorios para el análisis preciso de proteínas de muestras ultrapequeñas (por ejemplo, células tumorales raras) para satisfacer las necesidades de su proyecto.

Figura 1: Resumen de todos los pasos de la cLC-SRM (preparación de muestras en un solo recipiente asistida por c arado junto con lidídica hromatografía -s monitora de reacción elegida).Los digestores de lisado de células no humanas (por ejemplo, Shewanella oneidensis) se utilizan para pretratar los tubos de PCR para recubrir la superficie del tubo. Pequeñas cantidades de células humanas o células individuales clasificadas por FACS se recogen en tubos de PCR pretratados. El portador de proteína BSA (o proteoma de lisado de células no humanas), el estándar interno pesado (IS) y el TFE (o DDM) se añaden a los tubos de muestra de forma secuencial para facilitar la lisis celular y reducir las pérdidas de adsorción superficial. Conceptualmente, el portador combinado del proteoma de DDM y lisado de células no humanas funcionará bien para cLC-SRM. La lisis celular se lleva a cabo mediante sonicación, y la desnaturalización de las proteínas se logra mediante calentamiento a alta temperatura. Los reactivos DTT e IAA se utilizan para la reducción y la alquilación, respectivamente (este paso es opcional). La tripsina se agrega para la digestión con proporciones mucho más altas de tripsina sobre la cantidad de proteínas que para la digestión estándar de tripsina. Se retira la tapa del tubo de muestra y luego se inserta el tubo de PCR en el vial de LC para el análisis directo de LC-SRM. Los datos SRM recopilados se analizan mediante el uso del software Skyline disponible públicamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.