摘要：肿瘤异质性是恶性肿瘤的一个关键特征，表现为同一肿瘤内部存在多种具有不同遗传和表型特征的细胞群体。这种异质性导致肿瘤呈现出高度的复杂性，并显著增加了治疗的难度。在这些复杂的细胞群体中，肿瘤耐药细胞（drug-resistant cells, DRC）具备更强的适
肿瘤异质性是恶性肿瘤的一个关键特征，表现为同一肿瘤内部存在多种具有不同遗传和表型特征的细胞群体。这种异质性导致肿瘤呈现出高度的复杂性，并显著增加了治疗的难度。在这些复杂的细胞群体中，肿瘤耐药细胞（drug-resistant cells, DRC）具备更强的适应性和生存能力，因其与治疗抗性、疾病复发和转移的密切关联而备受关注。
因此，利用空间和单细胞技术对不同类型肿瘤细胞进行精准研究已成为当前癌症研究的重要探索方向。其中，单细胞蛋白质组学技术可以在单细胞水平上，对这些稀有细胞群体中的蛋白质进行定量和鉴定，能相较于传统的蛋白质组学方法，揭示出细胞间微小但关键的差异，从而阐明细胞群体的异质性和复杂性。
近日，约翰·霍普金斯大学病理学系张会团队在预印本杂志bioRxiv上发表了题为“Single-Cell Proteomic and Transcriptomic Characterization of Drug-Resistant Prostate Cancer Cells Reveals Molecular Signatures Associated with Morphological Changes”的研究论文。该团队运用单细胞蛋白质组学（SCP）与单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对前列腺癌耐药细胞进行全面表征，揭示了与肿瘤细胞形态变化相关的分子特征，包括蛋白质组景观、关键蛋白调控、表面蛋白和转录因子变化等，不仅为理解肿瘤耐药细胞的生物学行为和潜在治疗靶点提供了重要依据，也展示了单细胞蛋白质组学在推进临床癌症研究方面的巨大潜力。
01
前列腺癌耐药细胞的单细胞蛋白质组学聚类分析
研究团队通过顺铂诱导获得了具有耐药性的PC3前列腺癌耐药细胞，发现其在形态上显著大于亲代细胞（Parental），这表明肿瘤耐药细胞的形态发生了与多倍体相关的重要变化。
研究团队利用CellenOne分选了共计144个耐药细胞和亲本细胞，并进行了单细胞蛋白质组学分析，共鉴定出1567个蛋白质。其中，平均每个亲本PC3细胞检测到1174个蛋白质，而每个肿瘤耐药细胞则检测到1367个蛋白质。
定量分析结果显示，耐药细胞中的蛋白质水平显著高于亲代细胞。此外，细胞体积与蛋白质组丰度之间存在正相关关系，这表明耐药细胞更大的细胞体积可能意味着更强的代谢和生物合成能力，以支持其在治疗压力下的生存与适应（图1）。
图1 前列腺癌PC3亲本细胞与耐药细胞的单细胞蛋白组学分析
研究团队进一步剖析了蛋白组学的数据，发现耐药细胞与亲本细胞存在显著的聚类差异（图2B），并且耐药细胞内部又可分为三个不同的细胞亚群（图2C）。各亚群具有不同的富集通路，如mRNA加工、核糖体蛋白、翻译因子、VEGFA-VEGFR2 信号通路和代谢重编程等，并且亚群的分类与细胞大小密切相关，进一步证明了细胞大小对细胞表型和功能异质性的重要影响。较大的耐药细胞可能因体积大，能容纳更多与蛋白质合成和代谢相关的细胞器，支持更高代谢活性和复杂功能，从而表现出更强的增殖和抗凋亡能力。
图2 单细胞蛋白组聚类分析
02
前列腺癌耐药细胞的单细胞蛋白质组学差异分析
接下来研究团队进行了差异蛋白分析。分析结果显示，肿瘤耐药细胞中一些在维持细胞功能方面起着至关重要的作用的关键调节蛋白的表达显著下调，包括细胞黏附、蛋白质合成和脂质代谢等，突出了在癌细胞中细胞调节机制的战略性改变，这可能赋予细胞在治疗压力下的生存优势，或有助于增强其转移能力。
此外，研究发现肿瘤耐药细胞中一些关键表面血浆膜蛋白和转录因子的表达显著上调，如ACTN1（α-辅肌动蛋白-1）、CD47和FAT1（FAT非典型钙黏蛋白 1）等表面蛋白显著增加，提示了肿瘤耐药细胞可能通过增强细胞运动能力、逃避免疫监视和增强细胞间相互作用等方式提高了细胞的侵袭性。
COPS2、DDX5（DEAD - box 解旋酶 5）等转录因子表达水平升高，突出了肿瘤耐药细胞内基因表达调控和表观遗传修饰的动态变化。这些分子可能通过沉默肿瘤抑制基因和激活致癌通路来促进癌细胞的侵袭行为和适应能力。
图3 表面蛋白和转录因子水平的升高强调了肿瘤耐药细胞的侵袭性特征
03
单细胞蛋白组与单细胞转录组的联合分析
为了进一步了解药物处理的细胞中的分子变化，研究团队将单细胞蛋白组学的结果与RNA-seq的结果进行了联合分析，并发现了6个上调基因和10个下调基因，他们在转录水平和蛋白表达水平变化一致。功能分析结果表明，药物治疗的前列腺癌细胞采用了双重生存策略：增加其细胞灵活性和侵袭潜力，同时下调关键的代谢和增殖途径。这种重编程使它们能够承受治疗压力，并可能解释它们逃避化疗和建立转移的能力增强。也提示这些因子可能是潜在的治疗靶点或生物标志物。
总之，这些因子表达水平的变化为理解药物作用机制和细胞耐药机制提供了重要线索，也有助于开发更有效的治疗策略。
图3 单细胞蛋白组与单细胞转录组联合分析
综上所述，本文通过单细胞蛋白质组学（SCP）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对耐药前列腺癌细胞进行了深入的分子特征分析，鉴定了超过1300种蛋白质，并发现了与细胞大小变化密切相关的蛋白质组亚型，揭示了肿瘤耐药细胞在蛋白质组层面的异质性，识别了在癌症进展和治疗抗性中起关键作用的分子标志物。为理解药物处理细胞的分子变化提供了全面视角，同时强调了单细胞蛋白质组学在癌症研究中的重要价值和研究潜力。
景杰评述
本文通过对药物诱导产生的前列腺癌耐药细胞和亲本细胞进行单细胞蛋白组学分析，突出了其在深入了解癌细胞异质性和复杂性方面的潜力，例如：研究发掘出与肿瘤细胞形态相关变化的分子特征，并发现肿瘤耐药细胞内部表现出亚型多样性，这些差异与细胞大小变化密切相关，为更好地理解耐药癌细胞的行为提供了重要的分子基础。
此外，本文中运用的单细胞蛋白组和转录组联合分析的方法不仅能够相互验证和补充数据，更能够从基因表达调控网络、蛋白质功能通路等多个层面揭示细胞的生物学本质。例如：研究发现的在转录水平和蛋白水平变化一致的关键因子可能作为疾病耐药的潜在生物标志物，解析疾病发生发展机制以及发现新的治疗靶点等诸多方面提供了全面而系统的研究思路和方法借鉴。
然而单细胞蛋白质组学在单细胞分选、样本前处理、鉴定深度和检测通量等方面仍面临诸多挑战。为进一步满足对单细胞蛋白组学研究的需求，景杰生物于2021年8月在业内首次推出“真”单细胞蛋白质组学后，历经三载春秋的磨砺沉淀与锐意创新，持续克服单细胞蛋白质技术局限的障碍，现荣耀升级“单细胞蛋白质组学2.0”解决方案，基于行业领先的全流程集成自动化的前处理平台、结合景杰独家开发单细胞蛋白质前处理体系、运用行业领先的10X Proteomics技术以及景杰专属单细胞水平的蛋白质组学专属生信分析流程，四大技术体系革新飞跃，深度揭秘生命密码（点击链接详细阅读：景杰生物 | 单细胞蛋白质组学2.0荣耀升级，独家革新技术揭秘生命密码）。
图4 景杰生物单细胞蛋白质组2.0的全流程一站式服务平台
如果您想了解景杰生物研究产品和服务的更多信息，可咨询景杰生物销售工程师、或拨打科服热线400-100-1145。
参考文献：
Woo J, et al. 2024. Single-Cell Proteomic and Transcriptomic Characterization of Drug-Resistant Prostate Cancer Cells Reveals Molecular Signatures Associated with Morphological Changes. bioRxiv.
来源：景杰生物
