生命科学学院李程课题组与合作者共同绘制小鼠衰老小胶质细胞的单细胞蛋白质组学图谱
发布时间: 2026-06-17 12:10:56
小胶质细胞是大脑驻留的免疫细胞，它们在发育、稳态维持和神经退行性疾病中扮演着至关重要的角色。长期以来，科学家们主要通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）来研究小胶质细胞的异质性和动态变化。然而，mRNA水平的变化往往不能完全反映作为功能执行者的蛋白质的表达情况，也不能完全反映细胞功能状态。
2026年6月11日，北京大学生命科学学院李程研究员、药学院师晓萌副研究员、北京大学生命科学学院于翔教授团队联合中国医学科学院叶子璐研究员、军事医学科学院陈河兵研究员在Neuron杂志发表了题为“Single-cell proteome atlas of aging mouse microglia reveals subpopulation-specific phagoproteome”的研究论文。该研究大规模绘制了衰老过程中小鼠小胶质细胞的单细胞蛋白质组图谱，并创新性地提出了“吞噬蛋白质组（Phagoproteome）”的概念，揭示了小胶质细胞在单细胞水平上的蛋白质组和功能异质性。
论文截图
单细胞蛋白质组学（Single cell proteomics，SCP）目前面临两大瓶颈：单细胞的蛋白总含量极低，以及质谱分析通量有限。研究团队基于Orbitrap Astral质谱仪，优化了一套无标记单细胞蛋白质组学流程。通过采用Mantis全自动溶液铺板、低吸附384孔板、优化裂解液体积等方法，提升了样品制备的一致性，降低了蛋白吸附损失。利用该流程，团队对来自年轻（2月龄）、中年（14月龄）和老年（24月龄）小鼠的海马和前额叶皮层的小胶质细胞进行了蛋白质组学分析，最终获得了3085个高质量的单细胞数据，平均每个细胞鉴定到1153种蛋白质。与小胶质细胞的单细胞转录组数据相比，SCP数据集具有更高的数据完整性和更低的细胞间差异，提示蛋白质组在单细胞水平上比转录组更稳定，部分原因可能源于转录爆发和转录后调控机制。
小胶质细胞单细胞蛋白质组学样品前处理和质谱数据采集流程
小胶质细胞的核心功能之一是吞噬，以清除神经元突触、细胞碎片和外源物质。研究团队发现，SCP技术不仅能检测小胶质细胞自身表达的蛋白质，还捕获到它们从外界环境中“吃进来”的蛋白质。通过一套严格的过滤策略，结合scRNA-seq数据排除内源表达蛋白、推测外源蛋白质的可能细胞类型来源，团队鉴定出365个候选吞噬蛋白质组蛋白。这些蛋白高度富集突触结构和髓鞘成分，包括突触前标志物SYP、SNAP25、SYT1以及星形胶质细胞标志物GFAP，并且吞噬蛋白质组具有脑区和年龄差异性。团队使用免疫荧光实验进一步验证了这一发现：在前额叶皮层区域，SYT1蛋白定位在小胶质细胞的CD68⁺溶酶体内，且中年小鼠（14月龄）的吞噬水平显著高于年轻小鼠（2月龄）。
左侧：来自2月龄和14月龄小鼠脑片前额叶皮层小胶质细胞的代表性共聚焦图像，使用靶向SYT1、IBA1和CD68的抗体进行免疫染色。比例尺=10μm。中间：使用IMARIS软件进行的三维重建。白色轮廓勾勒出IBA1标记的小胶质细胞形态。细胞内紫色和绿色信号分别代表CD68⁺溶酶体和SYP蛋白。比例尺= 10μm。右侧：三维重建的放大视图；比例尺=10μm。柱状图显示CD68⁺溶酶体内SYT1的绝对体积以及SYT1体积归一化至总IBA1⁺小胶质细胞体积后的结果
研究者随后基于内源表达蛋白质组的聚类分析鉴定出5个单细胞亚群（C1—C5），其中C5被注释为边界相关巨噬细胞（BAM），证明SCP可以区分相似的细胞类型。各个小胶质细胞亚群展现出独特的蛋白表达特征和功能富集。C3亚群高表达稳态标志物P2RY12和TMEM119，同时富集突触修剪相关蛋白（CX3CR1、C1QA、ITGAM）和有氧呼吸通路，提示其通过高能量消耗支持细胞运动性和突触修剪功能。C4亚群在老年小鼠中显著富集，高表达溶酶体标志物LAMP1和肽酶通路蛋白，呈现类似疾病相关小胶质细胞的分子特征，提示其与衰老相关的吞噬和清除能力增强。伪时间轨迹分析显示，小胶质细胞可能经历了从C3→C1→C4的状态转变，伴随稳态蛋白的下调和炎症/吞噬相关蛋白的上调。研究还发现，前额叶皮层的小胶质细胞表现出比海马区更高的吞噬活性，且这种差异在衰老过程中持续存在，这可能与前额叶皮层持续的突触重塑需求有关。
小胶质细胞单细胞蛋白质组学数据分析流程
该研究建立了规模较大的原代细胞的单细胞蛋白质组数据集，并创新性地提出了“吞噬蛋白质组”概念，为理解小胶质细胞和其他吞噬细胞在生理和病理条件下的功能状态提供了新方法和视角。研究也为理解不同脑区在认知功能和衰老过程中的差异提供了新线索。
小胶质细胞单细胞吞噬蛋白质组学分析与成像验证
本研究通讯作者为李程、师晓萌、叶子璐、陈河兵、于翔，共同第一作者为北京大学张浩然、张广欣、张晓辉、魏昌盛，苏州系统医学所刘震，西北农林科技大学陈碧嘉，空军军医大学西京医院王龙腾。浙江大学高志华、罗宇翔，北京大学医学部王晶、姜竺君、孙玉芳，西京医院段维勋、刘金成，军事医学科学院李亭亭对本课题作出了重要贡献。苏州系统医学所顾蕾、葛瑞诚，北京大学方青、彭婷、朱江宁、杨瑞颖、申卫国参与了课题研究。
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