Abstract Background Macrophages are innate immune cells with diverse functional and molecular phenotypes. This diversity is largely unexplored at the level of single-cell proteomes because of the limitations of quantitative single-cell protein analysis. Results To overcome this limitation, we develop SCoPE2, which substantially increases quantitative accuracy and throughput while lowering cost and hands-on time by introducing automated and miniaturized sample preparation. These advances enable us to analyze the emergence of cellular heterogeneity as homogeneous monocytes differentiate into macrophage-like cells in the absence of polarizing cytokines. SCoPE2 quantifies over 3042 proteins in 1490 single monocytes and macrophages in 10 days of instrument time, and the quantified proteins allow us to discern single cells by cell type. Furthermore, the data uncover a continuous gradient of proteome states for the macrophages, suggesting that macrophage heterogeneity may emerge in the absence of polarizing cytokines. Parallel measurements of transcripts by 10× Genomics suggest that our measurements sample 20-fold more protein copies than RNA copies per gene, and thus, SCoPE2 supports quantification with improved count statistics. This allowed exploring regulatory interactions, such as interactions between the tumor suppressor p53, its transcript, and the transcripts of genes regulated by p53. Conclusions Even in a homogeneous environment, macrophage proteomes are heterogeneous. This heterogeneity correlates to the inflammatory axis of classically and alternatively activated macrophages. Our methodology lays the foundation for automated and quantitative single-cell analysis of proteins by mass spectrometry and demonstrates the potential for inferring transcriptional and post-transcriptional regulation from variability across single cells.

Major aims of single-cell proteomics include increasing the consistency, sensitivity, and depth of protein quantification, especially for proteins and modifications of biological interest. To simultaneously advance all these aims, we developed prioritized Single Cell ProtEomics (pSCoPE). pSCoPE consistently analyzes thousands of prioritized peptides across all single cells (thus increasing data completeness) while analyzing identifiable peptides at full duty-cycle, thus increasing proteome depth. These strategies increased the sensitivity, data completeness, and proteome coverage over 2-fold. The gains enabled quantifying protein variation in untreated and lipopolysaccharide-treated primary macrophages. Within each condition, proteins covaried within functional sets, including phagosome maturation and proton transport. This protein covariation within a treatment condition was similar across the treatment conditions and coupled to phenotypic variability in endocytic activity. pSCoPE also enabled quantifying proteolytic products, suggesting a gradient of cathepsin activities within a treatment condition. pSCoPE is freely available and widely applicable, especially for analyzing proteins of interest without sacrificing proteome coverage. Support for pSCoPE is available at: scp.slavovlab.net/pSCoPE Abstract Figure

Abstract Many biological systems are composed of diverse single cells. This diversity necessitates functional and molecular single-cell analysis. Single-cell protein analysis has long relied on affinity reagents, but emerging mass-spectrometry methods (either label-free or multiplexed) have enabled quantifying over 1,000 proteins per cell while simultaneously increasing the specificity of protein quantification. Isobaric carrier based multiplexed single-cell proteomics is a scalable, reliable, and cost-effective method that can be fully automated and implemented on widely available equipment. It uses inexpensive reagents and is applicable to any sample that can be processed to a single-cell suspension. Here we describe an automated Single Cell ProtEomics (SCoPE2) workflow that allows analyzing about 200 single cells per 24 hours using only standard commercial equipment. We emphasize experimental steps and benchmarks required for achieving quantitative protein analysis. SCoPE2 Protocol

Advanced maternal age is associated with a decline in oocyte quality, which often leads to reproductive failure in humans. However, the mechanisms behind this age-related decline remain unclear. To gain insights into this phenomenon, we applied plexDIA, a multiplexed data-independent acquisition, single-cell mass spectrometry method, to analyze the proteome of oocytes from both young women and women of advanced maternal age. Our findings primarily revealed distinct proteomic profiles between immature fully grown germinal vesicle and mature metaphase II oocytes. Importantly, we further show that a woman's age is associated with changes in her oocyte proteome. Specifically, when compared to oocytes obtained from young women, advanced maternal age oocytes exhibited lower levels of the proteasome and TRiC complex, as well as other key regulators of proteostasis and meiosis. This suggests that aging adversely affects the proteostasis and meiosis networks in human oocytes. The proteins identified in this study hold potential as targets for improving oocyte quality and may guide future studies into the molecular processes underlying oocyte aging.

The fate and physiology of individual cells are controlled by protein interactions. Yet, our ability to quantitatively analyze proteins in single cells has remained limited. To overcome this barrier, we developed SCoPE2. It lowers cost and hands-on time by introducing automated and miniaturized sample preparation while substantially increasing quantitative accuracy. These advances enabled us to analyze the emergence of cellular heterogeneity as homogeneous monocytes differentiated into macrophage-like cells in the absence of polarizing cytokines. SCoPE2 quantified over 2,700 proteins in 1,018 single monocytes and macrophages in ten days of instrument time, and the quantified proteins allowed us to discern single cells by cell type. Furthermore, the data uncovered a continuous gradient of proteome states for the macrophage-like cells, suggesting that macrophage heterogeneity may emerge even in the absence of polarizing cytokines. Parallel measurements of transcripts by 10x Genomics scRNA-seq suggest that SCoPE2 samples 20-fold more copies per gene, thus supporting quantification with improved count statistics. Joint analysis of the data indicated that most genes had similar responses at the protein and RNA levels, though the responses of hundreds of genes differed. Our methodology lays the foundation for automated and quantitative single-cell analysis of proteins by mass-spectrometry.![Figure][1] [1]: pending:yes

Hippo signaling is an evolutionarily conserved pathway that restricts organ growth during development and suppresses regeneration in mature organs. Using a high-throughput phenotypic screen, we have identified a potent, non-toxic, and reversible inhibitor of Hippo signaling. An ATP-competitive inhibitor of Lats kinases, the compound causes Yap-dependent proliferation of murine supporting cells in the inner ear, murine cardiomyocytes, and human Müller glia in retinal organoids. RNA sequencing indicates that the substance fosters both the G1 S and G2 M checkpoint transitions and yields supporting cells capable of transdifferentiation. Upon withdrawal of the compound, a subset of supporting cells move their nuclei into the hair-cell layer and express genes characteristic of hair cells. Viral transfection of Atoh1 induces the expression of hair cell-specific proteins in progeny. The compound promotes the initial stages of the proliferative regeneration of hair cells, a process thought to be permanently suppressed in the adult mammalian inner ear.### Competing Interest StatementKG, NK, TA, AAP, and AJH are parties to an application for patent protection of derivatives of the Lats inhibitor presented here.

Abstract Pre-patterning of the embryo, driven by spatially localized factors, is a common feature across several non-mammalian species 1–4 . However, mammals display regulative development and thus it was thought that blastomeres of the embryo do not show such pre-patterning, contributing randomly to the three lineages of the blastocyst: the epiblast, primitive endoderm and trophectoderm that will generate the new organism, the yolk sac and placenta respectively 4–6 . Unexpectedly, early blastomeres of mouse and human embryos have been reported to have distinct developmental fates, potential and heterogeneous abundance of certain transcripts 7–12 . Nevertheless, the extent of the earliest intra-embryo differences remains unclear and controversial. Here, by utilizing multiplexed and label-free single-cell proteomics by mass-spectrometry 13 , we show that 2-cell mouse and human embryos contain an alpha and a beta blastomere as defined by differential abundance of hundreds of proteins exhibiting strong functional enrichment for protein synthesis, transport, and degradation. Such asymmetrically distributed proteins include Gps1 and Nedd8, depletion or overexpression of which in one blastomere of the 2-cell embryo impacts lineage segregation. These protein asymmetries increase at 4-cell stage. Intriguingly, halved mouse zygotes display asymmetric protein abundance that resembles alpha and beta blastomeres, suggesting differential proteome localization already within zygotes. We find that beta blastomeres give rise to a blastocyst with a higher proportion of epiblast cells than alpha blastomeres and that vegetal blastomeres, which are known to have a reduced developmental potential, are more likely to be alpha. Human 2-cell blastomeres also partition into two clusters sharing strong concordance with clusters found in mouse, in terms of differentially abundant proteins and functional enrichment. To our knowledge, this is the first demonstration of intra-zygotic and inter-blastomere proteomic asymmetry in mammals that has a role in lineage segregation.

ABSTRACT Advanced maternal age is associated with a decline in oocyte quality, which often leads to reproductive failure in humans. However, the mechanisms behind this age-related decline remain unclear. To gain insights into this phenomenon, we applied plexDIA, a multiplexed, single-cell mass spectrometry method, to analyze the proteome of oocytes from both young women and women of advanced maternal age. Our findings primarily revealed distinct proteomic profiles between immature fully grown germinal vesicle and mature metaphase II oocytes. Importantly, we further show that a woman’s age is associated with changes in her oocyte proteome. Specifically, when compared to oocytes obtained from young women, advanced maternal age oocytes exhibited lower levels of the proteasome and TRiC complex, as well as other key regulators of proteostasis and meiosis. This suggests that aging adversely affects the proteostasis and meiosis networks in human oocytes. The proteins identified in this study hold potential as targets for improving oocyte quality and may guide future studies into the molecular processes underlying oocyte aging.