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I recenti progressi tecnologici nel campo della genomica (trascrittomica) consentono un'analisi completa e precisa del genoma (trascrittoma) in singole cellule 1,2,3. Tuttavia, le tecnologie di proteomica a singola cellula sono molto indietro, ma sono altrettanto importanti delle tecnologie genomiche (trascrittomica) 4,5,6,7,8. Inoltre, l'abbondanza proteica non può necessariamente essere dedotta dall'abbondanza dell'mRNA9 e il proteoma è più complesso e dinamico del trascrittoma10. Date queste sfide, un gran numero di popolazioni miste di cellule (cioè cellule di massa) viene generalmente utilizzato per generare dati completi sul proteoma 11,12,13. Tuttavia, tali misurazioni di massa mediano le variazioni stocastiche delle singole cellule, oscurando così un'importante variabilità da cellula a cellula (cioè l'eterogeneità cellulare)4,14. Le limitazioni di tali misurazioni di massa diventano ancora più gravi quando le cellule di interesse rappresentano solo una piccola parte delle popolazioni totali di cellule (ad esempio, cellule staminali tumorali all'interno di tumori in stadio iniziale). Pertanto, esiste un enorme divario di conoscenze tra la proteomica a singola cellula e la genomica (trascrittomica).
I saggi immunologici basati su anticorpi (ad es. citometria a flusso o di massa) sono utilizzati prevalentemente per l'analisi proteomica mirata di singole cellule 6,7,15,16,17,18. Tuttavia, soffrono di un basso multiplex, di una specificità limitata e dell'indisponibilità di anticorpi per nuove proteine di interesse. La proteomica mirata basata sulla spettrometria di massa (MS) è emersa come alternativa per la quantificazione accurata delle proteine grazie all'assenza di anticorpi, all'elevato multiplex (≥150 proteine in una singola analisi19), all'elevata accuratezza di quantificazione (quantità o concentrazioni assolute) e all'elevata specificità e riproducibilità (≤10% CV)20,21,22,23. I recenti progressi significativi nella preparazione dei campioni hanno reso possibile la proteomica a singola cellula basata sulla MS per l'analisi quantitativa di proteine altamente abbondanti provenienti da singole cellule umane. Tuttavia, la proteomica a singola cellula basata sulla SM è ancora nella fase iniziale dell'infanzia. Ad esempio, la piattaforma MS più avanzata abbinata a velocità di flusso RPLC a flusso ultrabasso può consentire solo il rilevamento e la quantificazione della MS senza marcatura di ~670-870 proteine su un totale di ≥12.000 proteine in singole cellule HeLa 24,25.
Attualmente, sono disponibili sei approcci di proteomica a singola cellula basati sulla MS per l'analisi di singole cellule di mammifero, di cui quattro per la proteomica globale (nanoPOTS: nanowell-based Preparation in One pot for Trace Samples26; iPAD-1: dispositivo integrato per l'analisi del proteoma per l'analisi di singole cellule27; Analisi proteomica a singola cellula basata su chip OAD (oil-air-droplet)28; SCoPE-MS: proteomica a singola cellula mediante spettrometria di massa29) e gli altri due sono per la proteomica mirata (cLC-SRM: cromatografia liquida assistita da carrier (LC) - monitoraggio di reazioni selezionate (SRM)30; cPRISM-SRM: separazioni ad alta pressione e ad alta risoluzione assistite da carrier con selezione intelligente e multiplexing accoppiati a SRM31). Tuttavia, tutti questi approcci presentano svantaggi tecnici. nanoPOTS, iPAD-1 e OAD riducono il volume di elaborazione del campione a 2-200 nL e non sono pronti per ampie applicazioni da banco 26,27,28. Per SCoPE-MS, un vettore TMT (tandem mass tag) viene aggiunto dopo l'elaborazione di singole cellule, in modo che non possa prevenire efficacemente le perdite di adsorbimento superficiale durante l'elaborazione del campione quando una singola provetta viene utilizzata per l'elaborazione di singole cellule29, con conseguente bassa riproducibilità con un coefficiente di correlazione di soli ~0,2-0,4 tra le repliche32. Per cLC-SRM e cPRISM-SRM, l'utilizzo di proteine esogene come vettore è più adatto per la proteomica mirata perché i peptidi provenienti da proteine esogene eccessive sono frequentemente sequenziati da MS/MS, il che riduce notevolmente la possibilità di sequenziamento di peptidi endogeni a bassa abbondanza30,31. A differenza della proteomica globale per la quantificazione relativa, i due approcci di proteomica mirata possono fornire analisi proteiche accurate o assolute di un piccolo numero di cellule con un'elevata riproducibilità utilizzando standard interni marcati con isotopi pesanti a concentrazioni note. Rispetto a cPRISM-SRM, che richiede un precedente frazionamento PRISM ad alta risoluzione, con conseguente necessità di analizzare molti campioni frazionati, cLC-SRM presenta un vantaggio significativo in termini di produttività del campione senza frazionamento e può quantificare simultaneamente centinaia di proteine in una singola analisi, ma con una sensibilità di rilevamento relativamente inferiore30. Pertanto, cLC-SRM è più accessibile e dovrebbe avere utilità più ampie per un'accurata analisi multiplex delle proteine di un piccolo numero di cellule e di campioni a massa limitata.
Qui descriviamo un protocollo dettagliato per eseguire cLC-SRM per un'analisi proteomica mirata di un piccolo numero di cellule umane, comprese le singole cellule. Il protocollo consiste nelle seguenti fasi principali: smistamento cellulare mediante FACS (smistamento cellulare attivato da fluorescenza), lisi e digestione cellulare trattate in provette a reazione a catena della polimerasi (PCR) a basso volume, raccolta di dati LC-SRM e analisi dei dati SRM utilizzando il software Skyline disponibile al pubblico (Figura 1). La sua ampia utilità è stata dimostrata insieme ai nostri saggi SRM precedentemente consolidati mediante quantificazione mirata assoluta delle proteine della via EGFR/MAPK in cellule 1-100 MCF7 o MCF10A e determinazione delle copie delle proteine della via per cellula a un ampio intervallo dinamico di concentrazioni30. Prevediamo che con il protocollo dettagliato la maggior parte dei ricercatori di proteomica possa facilmente implementare cLC-SRM nei loro laboratori per un'analisi accurata delle proteine di campioni ultrapiccoli (ad esempio, cellule tumorali rare) per soddisfare le esigenze del loro progetto.

Figura 1: Panoramica di tutte le fasi della cLC-SRM (preparazione del campione in un vaso assistita da c arried accoppiata con cromatografia a base di liquido liquido).I digesti di lisato di cellule non umane (ad esempio, Shewanella oneidensis) vengono utilizzati per pretrattare le provette PCR per il rivestimento della superficie delle provette. Un piccolo numero di cellule umane o singole cellule selezionate mediante FACS vengono raccolte in provette PCR pretrattate. Il vettore della proteina BSA (o proteoma del lisato di cellule non umane), lo standard interno pesante (IS) e il TFE (o DDM) vengono aggiunti in sequenza alle provette del campione per facilitare la lisi cellulare e ridurre le perdite di adsorbimento superficiale. Concettualmente, il DDM combinato e il trasportatore di proteoma del lisato cellulare non umano funzioneranno bene per cLC-SRM. La lisi cellulare viene condotta mediante sonicazione e la denaturazione delle proteine si ottiene mediante riscaldamento ad alta temperatura. I reagenti DTT e IAA vengono utilizzati rispettivamente per la riduzione e l'alchilazione (questo passaggio è facoltativo). La tripsina viene aggiunta per la digestione con rapporti molto più elevati di tripsina rispetto alla quantità di proteine rispetto a quella per la digestione standard della tripsina. Il tappo della provetta del campione viene rimosso e quindi la provetta PCR viene inserita nella fiala LC per l'analisi LC-SRM diretta. I dati SRM raccolti vengono analizzati utilizzando il software Skyline disponibile pubblicamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.