单细胞代谢组学：分析和生物学观点

单细胞代谢组学：分析和生物学观点

影响因子

37.205 38.062

近年来，单细胞基因组学，转录组学，蛋白质组学和代谢组学的发展和应用激增。代谢组被定义为在特定的细胞，器官或生物体中发现的小分子代谢物的完整补体。单细胞代谢组学最有意义的潜在应用可能在于癌症领域- 例如，识别导致转移的循环癌细胞。预计单细胞代谢组学将受到影响的其他领域包括系统生物学，干细胞研究，衰老和耐药性的发展;更一般地说，它可以用来发现细胞应对化学或环境压力的化学策略。相对于其他单细胞“组合”测量，代谢组学提供了细胞功能（即表型）的更直接和动态的图像，但也可以说是最难测量的。这是因为代谢组可以在非常短的时间范围（几秒或更短时间）内对环境做出动态反应，因为代谢物的结构多样性和巨大的动态范围很大，因为不可能扩增代谢物，并且因为用荧光标签会扭曲它们的正常功能。

进展

尽管尚未获得基于单细胞代谢组学的深入生物学见解，但为实现这一目标已经采取了重要步骤。质谱（MS），质谱成像，毛细管电泳，光学光谱和荧光生物传感器的发展现在允许同时测定单个细胞中数百种代谢物，并具有对阿托咪隆范围的敏感性。现代阵列格式，特别是微流体平台，有助于我们快速且高吞吐量地执行此类测量的能力。最近的几项研究显示了如何从单细胞代谢组学中提取新的生物学见解。已经发现不同蜗牛神经元的代谢组的实质差异，例如在B1和B2型神经元中，在分离它们之后和过夜培养后立即发现。鞘糖脂可以用荧光标记标记，并且在与这样的缀合物孵育的神经元的裂解物中，来自它们的所有代谢产物都是荧光的并且可以被鉴定。用癌症药物治疗后，可以在淋巴瘤细胞和实体瘤中磷酸化3'-脱氧-3'-氟胸苷。可以遵循用2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）处理酵母细胞对代谢组的生物学效应。单细胞测量显示代谢物浓度的扩散比群体测量大得多的事实被用于确定许多代谢物- 代谢物相关性，其在2DG处理的酵母细胞中相对于对照改变。

外表

代谢组是表型异质性的极好指标，当人群遭受重大化学或环境挑战时，已被公认为稀有细胞存活的关键因素。然而，单细胞水平的代谢组学仅仅是成熟的。预期改进导致代谢组更完整的覆盖，更好和更快的代谢物鉴定以及无损测量。

摘要

目前对单细胞的广泛分子谱分析非常感兴趣;细胞的代谢组- 它的小分子代谢物的全部补充- 是单细胞表型多样性的直接指标，并且几乎立即读出细胞如何对环境影响作出反应。然而，由于快速的代谢动力学，分子的结构多样性以及无法扩增或标记小分子代谢物，代谢组在单细胞水平上很难测量。测量技术包括质谱，毛细管电泳，以及光谱学和荧光检测的较小程度，已经在单细胞代谢组学方面取得了令人瞩目的进展。尽管目前这些方法都不能完全，快速和无损地测量单个细胞的代谢组学，但进展已足以使该领域正在目睹从可行性研究转向产生新的生物学见解的研究。特别有趣的应用领域是癌症生物学，干细胞研究以及单细胞水平组织切片中异生素和药物的监测。

科学文献包含了大量的工作，其中大量的细胞被打开并均化以制备用于生物化学表征的样品，当然，从这些研究中已经学到了很多。但最近，已经有可能监测单个细胞中的事件，因此允许研究人员测试来自传统大规模分析的许多细胞状态的现有“平均”读数是否准确地代表了正在研究的各个细胞的行为。这种单细胞测量提供了丰富的信息- 有时是无法预料的，而且往往是先前被模糊的- 关于细胞如何响应干扰或信号。在这个特刊中，三篇评论提供

了对细胞调控的基本见解的实例，当可以测量单个细胞中的酶活性，转录反应或代谢状态时，这些实例被揭示。

单细胞测量的一个明显优势是能够测量单个细胞对相似或相同条件的响应中的变化或“噪音”。在很多情况下，可以监测细胞反应的时间过程。基因转录可能特别嘈杂，在一些细胞中发生RNA合成爆发，但不存在相同群体中的其他细胞。因此，这些系统的性质产生了根本性的问题。也许响应的变化有利于节约资源或确保某些细胞在不断变化的环境中生存。或者可能是少量分子的生物物理限制和工作中酶的特征决定了这种不可避免的变化。Sanchez 和Golding回顾了最近在模型系统中从细菌到动物细胞的工作，试图解决转录动力学是否编码在DNA启动子序列的结构中- 因此可能在整个基因组中变化- 或者通过物理或生物物理特性将在整个细胞中施加更多的全局约束。

Levine等人探索另一个以前隐藏的现象蛋白质激活的连续测量显示，许多人经历异步脉动响应，这在来自细胞群体的平均测量中是模糊的。他们讨论了蜂窝电路如何连接以产生这样的响应以及这种控制系统的优点。

Zenobi强调了方法学的进展，特别是在质谱中，可以对单细胞分子组分的丰度进行定量。为了表征个体细胞快速变化的代谢状态，目标是进行同步测量。但是，对广泛学科的新见解的承诺是持续努力，以挖掘隐藏在单个细胞范围内的大量新知识。

每个人都是不同的，这种个体表型是基于遗传，表观遗传，发育和环境的差异。克隆或同基因文化中的细胞，其成员都来源于一个共同的祖先？即使在这种情况下，由于环境影响（包括细胞周期），原始细胞的年龄以及影响培养物中单个细胞表型的其他因素，表型也有差异。设想一个假设的情况，即克隆群体中的所有细胞都完全同步并在完全相同的条件下生长。即便如此，经过一段时间后，人群中也会出现不同的表型，这通常是随机生物过程的结果（图1A）。生物学背景中的“随机”是指生物化学反应进行的速率中的不规则性或“噪音”。对于涉及非常少量或单个分子的过程，例如DNA转录和蛋白质表达，这一点非常明显（1）。为了评估产生的表型的差异，单细胞测量是必要的;人口测量结果只产生平均值（图1B）。组织分层也可能需要单细胞测量。例如，神经元是一种细胞类型，其中功能需要个体差异。激励哺乳动物中的单个神经元可以启动胡须的运动，改变学习，从而影响整个有机体的行为。即使在复杂的感觉神经元集合中，单个神经元也具有不同的受体区域，因此是不同的。

近年来，单细胞分子分析的开发和应用急剧增加[关于以代谢组学为重点的综述，见（2-8）]。代谢组可定义为特定细胞，器官或生物体中发现的小分子代谢物（分子量小于〜2kD）的完整补体（9）。就目前而言，代谢组（图1C）包括内源性以及外源性小分子[如丙酮酸，乳酸，糖，腺苷一磷酸（AMP），二磷酸腺苷（ADP），三磷酸腺苷（ATP）等] ，药物及其代谢物（通常称为异生素）和脂质，以及不是蛋白质降解产物的肽（例如，在细胞信号传导中重要的神经肽）。具有短序列的核酸可能具有分子量的优势，但它们被认为是细胞转录组的一部分，而不是代谢组。盐不被视为代谢物。

细胞的基因型描述了它的“潜力”，而表型描述了它的功能，但是两者之间的联系往往是模糊的（10）。相对于单细胞基因组学，转录组学或蛋白质组学，代谢组学提供了细胞功能（即表型）的最直接和最动态的图像，但也可以说是最难以测量的：尽管基因组或多或少静态，并且转录组和蛋白质组在几分钟到几小时的时间范围内发生变化（11），代谢组在几秒甚至几毫秒的时间范围内对环境影响作出反应（12）。这种快速动态是单细胞代谢组学的主要挑