《Communications Biology》：Simultaneous single-cell proteomics and epigenetic analysis of histone deacetylase inhibition in human cells
编辑推荐：
本研究针对组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)作用机制不明确的问题，开发了同步单细胞蛋白质组学(SCP)与表观遗传分析技术。研究人员发现mocetinostat处理可显著增加组蛋白H3/H4特定位点乙酰化，并首次在单细胞水平揭示S100-A8/A9蛋白的异质性响应。该研究为单细胞表观遗传学研究提供了新技术范式。
在癌症研究领域，组蛋白修饰作为表观遗传调控的重要机制一直备受关注。组蛋白乙酰化水平的异常与肿瘤发生发展密切相关，组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACi)已成为一类具有潜力的抗癌药物。然而，传统群体水平的研究方法难以揭示药物作用下细胞间的异质性响应，这限制了对HDACi作用机制的深入理解。
目前单细胞表观遗传分析技术主要基于染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)及其衍生技术，这些方法通常只能同时检测1-3种组蛋白修饰，且无法同步获得蛋白质表达信息。而质谱技术已鉴定出组蛋白上超过20种化学修饰和数百种组合形式，但在单细胞水平系统分析这些修饰仍面临技术挑战。
针对这一技术瓶颈，Benjamin C. Orsburn在《Communications Biology》上发表的研究工作，创新性地将单细胞蛋白质组学(SCP)技术应用于表观遗传分析。研究人员利用组蛋白在细胞内高丰度的特性，通过对人肺癌细胞系H358进行mocetinostat处理，成功在单细胞水平实现了蛋白质表达与组蛋白修饰的同步分析。
研究采用的关键技术方法包括：基于EvoSep One液相色谱系统和TIMSTOF SCP质谱仪的高通量单细胞蛋白质组学平台；TMTPro多重标记技术实现7个单细胞/次的分析通量；基于诊断离子(126.0913 m/z)的乙酰化位点验证策略；以及H4蛋白丰度作为细胞大小归一化因子的数据分析方法。研究分析了从210到3500个细胞/天不同通量条件下的数据质量。
研究结果方面，首先通过"不同通量SCP方法的比较分析"发现，420细胞/天(CPD)的方法在保持数据质量的同时可获得最佳分析效率，平均每个细胞鉴定到453个蛋白质，组蛋白序列覆盖度达44%。在"组蛋白修饰位点的鉴定"部分，研究成功鉴定出16个组蛋白修饰位点，包括7个乙酰化位点，其中H3 K24和H4多位点乙酰化在药物处理后显著上调。
"诊断离子验证方法的建立"部分展示了126.0913 m/z诊断离子在乙酰化位点确认中的价值，该离子在乙酰化肽段中的出现频率(22.9%)显著高于总谱图(0.59%)。在"药物处理效应的单细胞分析"中，研究发现mocetinostat处理后组蛋白乙酰化水平显著增加，同时发现S100-A8/A9蛋白表达显著上调，这一现象在群体水平研究中未被报道。
"细胞异质性表征"部分通过主成分分析(PCA)显示，基于组蛋白修饰模式可区分不同处理组细胞，其中H2B K21乙酰化和H4三乙酰化是主要贡献因子。值得注意的是，在HDAC1蛋白可检测的细胞中，乙酰化肽段信号显著降低，提示即使存在抑制剂，内源性HDAC1活性仍可能影响组蛋白修饰状态。
研究结论指出，单细胞蛋白质组学技术可有效应用于表观遗传学研究，不仅能够同时分析数百种蛋白质表达，还能提供组蛋白修饰的详细信息。该方法克服了传统技术通量低、检测位点有限的局限性，为研究药物作用下细胞异质性响应提供了新视角。特别是发现mocetinostat处理可诱导S100-A8/A9蛋白表达，这一新发现为理解HDACi作用机制提供了新线索。
该研究的创新性在于将SCP技术拓展至表观遗传学领域，建立了组蛋白修饰的单细胞分析流程。虽然当前方法仍存在缺失值问题，但为未来发展更高通量、更完整的单细胞表观遗传分析技术奠定了基础。这项工作表明，单细胞蛋白质组学不仅能提供蛋白质表达信息，还能揭示表观遗传调控的细胞间差异，为精准医学研究提供了新的技术手段。
