修饰组学专题 | 新型修饰只会画图谱？单细胞+修饰组学，高效提高研究创新性

APTBIO

 

修饰专题

得益于质谱法、抗体富集法、代谢标记法、化学偶联策略、化学蛋白质组探针法等多种技术的日渐成熟，琥珀酰化、棕榈酰化、巴豆酰化、β-羟基丁酰化等逐渐被发现，并成为疾病机制研究的热门方向。对于新型修饰，或许聚焦修饰图谱绘制就能有一篇不错的结果，但若想获得更高水平的文章，深入机制的探索是极为必要的。毕竟审稿人和顶刊更想看的是能不能从“看见修饰”走到“说清机制”，讲明白到底是哪个分子被修饰、由哪类细胞驱动、最终怎么改写了病理进程，直到后续是否有转化的潜力。

O’Garro 等人：检测乙酰化的工具已经不少，但乙酰化调控细胞过程的机制知识依然有限[1]；更早的 Carabetta 与 Cristea 也指出，已鉴定的乙酰化位点中绝大多数功能后果仍属未知[2]。这正是图谱之后必须补机制的原因。可要把机制做实，研究者几乎都会遇到四大难题：一是位点多，要筛选聚焦并验证到关键位点的难度大；二是位点特异性抗体定制难，多数新型酰化没有商业化抗体，只能硬着头皮定制；三是锁定目标细胞难，修饰组学取的是组织匀浆，信号被各种细胞平均掉，看不出到底是哪个细胞在起主导作用；四是基因干预难，把一个特定酰化位点精准改写（比如 K→R 突变）再验证功能，常常要建突变体甚至基因敲入动物，后续验证工作量大、周期长。

如何绕过这四道关口，近来高水平文章采用的思路是：用单细胞转录组给修饰组学“定位”。用全局修饰组学当发现引擎，先找修饰位点和靶点，单细胞再把修饰信号钉到具体的细胞类型上；最后回头做机制，把结论推到细胞分辨率的深度。

修饰组学配上单细胞转录组，正好把上面四道关口逐个拆掉：

1）拆“锁定靶细胞难”：盯住修饰改变的代谢通路和生物功能，用 scRNA-seq 挖出响应异常的关键细胞亚群，搭起“修饰-机制-表型”的研究逻辑；

2）拆“靶点定位难、抗体定制难、基因干预难”：修饰组学先锁定修饰位点靶点，scRNA-seq 证明这个位点重塑了哪类细胞，从而拉出一条从修饰到微环境的因果链。后续功能验证只围着已经锁定的“分子+细胞”组合做，不用对全组织里海量的修饰位点逐个定制抗体、盲目上基因干预。

下面两篇就是正向打法：先用修饰组学确定泛素化介导的内皮(EC)功能障碍是心肌缺血再灌注(I/R)损伤的关键机制，再用 scRNA-seq 把关键信号锚定到损伤应答型 EC-3 亚群，最后在锁定的“分子+细胞”上回溯机制。

案例一：泛素化修饰组+定量蛋白质组+单细胞转录组+IP-MS揭示靶向Hrd1-ALDH2轴可防治心肌缺血再灌注损伤[3]

 

文章题目：Targeting E3 Ubiquitin Ligase Hrd1 Prevents Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury Through Enhancing ALDH2 Enzymatic Activity

发表期刊：Circulation（IF 41.3）

发表时间：2026年4月

心肌缺血再灌注（I/R）损伤是临床心梗治疗过程中亟待解决的关键难题。研究者通过单细胞转录组数据与蛋白质组和泛素组联合，成功从海量的信号网络中确认E3泛素连接酶Hrd1是主导内皮炎症和微血管功能的“元凶”。研究者通过泛素化修饰组学，确定泛素化介导的内皮功能障碍是I/R损伤的关键机制。scRNA-seq表明，心肌I/R损伤显著增加损伤应答型内皮细胞亚群（EC-3），在损伤应答下该亚型会向炎症表型转变。鉴于E3泛素连接酶在调控内皮功能障碍中具有关键作用，整合蛋白质组学和泛素化修饰组学数据发现Hrd1是调控内皮炎症与功能障碍（尤其在损伤应答型 EC-3 簇内）的主导 E3 连接酶。

机制上表现为：Hrd1促进ALDH2的K33连接型多聚泛素化，进而抑制其活性四聚体的形成，通过NO/cGMP/PKG（一氧化氮-环磷酸鸟苷-蛋白激酶G）信号通路减少EC-3的凋亡并加重内皮功能障碍。外源药物处理可抑制Hrd1表达，进而显著改善心肌I/R损伤与内皮功能障碍。该研究揭示了Hrd1是预防心肌I/R损伤的新治疗靶点。靶向Hrd1驱动的野生型ALDH2失活，可能为治疗缺血相关心脏病提供有前景的策略。

案例二：琥珀酰化+单细胞转录组揭示胆管癌中PDHA1的琥珀酰化通过 α-酮戊二酸积累抑制巨噬细胞抗原呈递[4]

 

文章题目：Cholangiocarcinoma PDHA1 succinylation suppresses macrophage antigen presentation via alpha-ketoglutaric acid accumulation

发表时间：2025年3月

发表期刊：Nature Communications（IF 18.1）

吉西他滨联合顺铂是晚期胆管癌的一线化疗方案，但耐药性仍是重大挑战，导致治疗效果较差。研究者对10对胆管癌/癌旁组织进行琥珀酰化检测，发现三羧酸循环关键酶PDHA1 K83位点的琥珀酰化显著升高，且与患者不良预后相关。为探索该位点在治疗耐药过程中的调控作用，构建表达PDHA1野生型或K83R突变体的自发胆管癌小鼠，并对肿瘤组织进行单细胞转录组检测，结果显示PDHA1 K83位点琥珀酰化可改变丙酮酸脱氢酶（PDH）活性、调控代谢通量，并导致α-酮戊二酸（α-KG）在肿瘤微环境中堆积。该过程激活巨噬细胞表面的OXGR1受体，触发MAPK信号通路并抑制MHC-II抗原呈递，从而促进免疫逃逸和肿瘤进展。进一步找到该修饰的"Writer"为DLST，并用小分子CPI-613抑制PDHA1琥珀酰化水平，显著增敏吉西他滨+顺铂方案。

除可补充修饰结果的验证，scRNA-seq中挖掘到的“过渡态细胞亚群”或“稀有细胞亚群”等一些关注的目标细胞群，还可进一步分选出来，利用修饰组学判断这群细胞里到底哪个蛋白在发挥作用。尤其是“灰色地带”的过渡态细胞亚群，正是在极端压力下发生表型漂移的小众亚群，往往才是主导组织炎症风暴或生物功能丧失的真正“推手”，这些细胞是否在经历代谢重编程，是否以修饰的方式改写蛋白功能，也是多位研究者聚焦的方向。

案例三：单细胞转录组+乳酸化修饰组揭示内皮细胞 HSPA1A 通过 HIF-1α 依赖性糖酵解和 NNT K1079 乳酸化维持 HFpEF 中的微血管完整性[5]

 

文章题目：Endothelial HSPA1A preserves microvascular integrity in HFpEF via HIF-1α–dependent glycolysis and NNT K1079 lactylation

发表期刊：Redox Biology（IF 16.2）

发表时间：2026年8月

射血分数保留型心衰（HFpEF）目前仍缺乏有效疗法。研究者利用单细胞转录组数据发现内皮细胞中HSPA1A特异性下降，与心脏舒张功能障碍、微血管稀疏和运动能力受损有关。随后通过高脂饮食联合L-NAME 诱导小鼠HFpEF模型并对其全心脏组织进行乳酸化检测，发现相比于对照组，线粒体氧化还原关键酶NNT的K1079乳酸化在HFpEF组中显著下降，与氧化还原防御和血管生成功能受损有关。进一步检验NNT-K1079是否介导HSPA1A的保护作用，进行NNT上位性（epistasis）和挽救实验。内皮NNT敲低削弱HSPA1A介导的保护，而NNT-WT（而非 NNT-K1079R）能恢复微血管密度和舒张功能。反过来，NNT-K1079乳酸化的缺失破坏了线粒体 ROS/ATP 稳态，从而抑制HSF1依赖的HSPA1A转录。

案例四：单细胞转录组+组蛋白乙酰化+β-羟基丁酰化揭示生命早期酮体信号促进米色脂肪生成[6]

 

文章题目：Early-life ketone body signalling promotes beige fat biogenesis through changes in histone acetylome and β-hydroxybutyrylome

发表期刊：Nature Metabolism（IF 27.5）

发表时间：2025年10月

断奶前的婴儿会经历独特的生理性生酮期，但其生理意义尚不清晰。研究者发现，过早断奶或敲除生酮关键酶Hmgcs2会阻碍米色脂肪生成，使小鼠成年后更易肥胖。文章利用单细胞转录组数据，鉴定出一群对β-羟丁酸（βHB）表达Cd81的脂肪祖细胞（APCs），具有高米色脂肪分化潜能。增强生酮可促进米色APCs的募集及其向米色脂肪细胞分化。随后，组蛋白乙酰化和β-羟基丁酰化组学结果表明：酮体来源的βHB通过切换组蛋白的乙酰化/β-羟基丁酰化修饰状态，在转录层面激活米色脂肪生成基因程序。哺乳期补充酮体，甚至能逆转父母肥胖给子代带来的不良代谢影响。该研究通过scRNA-seq先锁定响应的细胞群，再通过双修饰组学解析这群细胞内表观开关如何被“改写”，为"生命早期营养编程成年健康"提供了细胞类型特异的机制解释。

 

总结

从画图谱到说机制，单细胞是新型修饰的破局点

修饰组学与单细胞转录组的联合本质是将蛋白和修饰位点与细胞建立关联，从而在细胞维度上解析蛋白修饰变化主导的表型差异性。案例一和二，以修饰组学为"发现引擎"，先用泛素化/琥珀酰化锁定关键靶点，再用scRNA-seq锚定到具体细胞亚群，完成"修饰→微环境"的因果链条；案例三、四则反向出发，先靠 scRNA-seq 捕获 HSPA1A 低表达的内皮细胞、βHB 响应的Cd81⁺脂肪祖细胞等"灰色地带"亚群，再用乳酸化/双修饰组学解析这群细胞内部究竟哪个蛋白被"改写"。四个案例均将验证难度降下来，机制创新性提上去，也是当下新型修饰研究的一条破局之路。

中科新生命可提供多种单一酰化修饰组学（乙酰化、琥珀酰化、棕榈酰化、巴豆酰化、氨基酰化、二羟基异丁酰化、三羟基丁酰化等）以及同时富集检测的泛酰化（乙酰化、琥珀酰化、乳酸化（乳酰化））高深度修饰位点鉴定，并可结合单细胞数据提供联合分析方案——从细胞图谱到修饰图谱，助您一站式打通"单细胞转录组+酰化修饰"的联合研究链路。欢迎咨询。

 

参考文献

[1] O’Garro C, Igbineweka L, Ali Z, et al. The Biological Significance of Targeting Acetylation-Mediated Gene Regulation for Designing New Mechanistic Tools and Potential Therapeutics. Biomolecules. 2021;11(3):455. PMID: 33803759.

[2] Carabetta VJ, Cristea IM. Regulation, Function, and Detection of Protein Acetylation in Bacteria. J Bacteriol. 2017. PMID: 28439035.

[3]Liu S, Li C, Zhu M, Zhu T, et al. Targeting E3 Ubiquitin Ligase Hrd1 Prevents Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury Through Enhancing ALDH2 Enzymatic Activity. Circulation. 2026 Jul 28;154(4):334-353. PMID: 41993020.

[4]Zhang N, Sun L, Zhou S, et al. Cholangiocarcinoma PDHA1 succinylation suppresses macrophage antigen presentation via alpha-ketoglutaric acid accumulation. Nat Commun. 2025 Apr 3;16(1):3177. PMID: 40180922.

[5]Zhou C, Li F, Xia Z, et al. Endothelial HSPA1A preserves microvascular integrity in HFpEF via HIF-1α-dependent glycolysis and NNT K1079 lactylation. Redox Biol. 2026 Oct;96:104359. PMID: 42641478.

[6]Jiang CL, Lai PH, Yang PC, et al. Early-life ketone body signalling promotes beige fat biogenesis through changes in histone acetylome and β-hydroxybutyrylome. Nat Metab. 2025 Oct;7(10):2045-2066. PMID: 41068421.

*部分内容由 AI 辅助生成，若存在错漏、侵权等问题，请联系我方及时修正或删除。

 

关于中科新生命

上海中科新生命生物科技有限公司（APTBIO）创立于 2004 年，由原中国科学院上海生命科学研究院蛋白质组研究中心孵化而来，是国内质谱多组学应用领域的开拓者。公司以 “AI + 质谱多组学” 双核驱动创新，构建智能化组学生态。拥有自主知识产权的质谱检测平台与 AI 大数据分析系统，聚焦科技服务、生物医药及大健康消费三大领域，为全球科研机构、医院、药企提供从基础研究到临床转化的一站式解决方案。融合多组学技术与人工智能，围绕生物标志物发掘、药物靶点筛选及个性化诊疗等方向，构建具有国际竞争力的组学数据库与算法模型，推动转化医学进程，加速创新药物研发，成为推动生命科学数字化升级的核心引领者。