Many biological processes, such as the cell division cycle, are reflected in protein covariation across single cells. This covariation can be quantified and interpreted by single-cell mass-spectrometry (MS) with sufficiently high throughput and accuracy. Towards this goal, we developed nPOP, a method that uses piezo acoustic dispensing to isolate individual cells in 300 picoliter volumes and performs all subsequent sample preparation steps in small droplets on a fluorocarbon-coated slide. This design enabled simultaneous sample preparation of thousands of single cells, including lysing, digesting, and labeling individual cells in volumes of 8-20 nl. Protein covariation analysis identified cell-cycle dynamics that were similar across cell types and dynamics that differed between cell types, even within sub-populations of melanoma cells defined by markers for drug-resistance priming. The melanoma cells expressing these markers accumulated in the G1 phase of the cell cycle, displayed distinct protein covariation across the cell cycle, accumulated glycogen, and had lower abundance of glycolytic enzymes. The non-primed melanoma cells exhibited gradients of protein abundance and covariation, suggesting transition states. These results were validated by different MS methods. Together, they demonstrate that protein covariation across single cells may reveal functionally concerted biological differences between closely related cell states.

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

Current mass-spectrometry methods enable high-throughput proteomics of large sample amounts, but proteomics of low sample amounts remains limited in depth and throughput. To increase the throughput of sensitive proteomics, we developed an experimental and computational framework, plexDIA, for simultaneously multiplexing the analysis of both peptides and samples. Multiplexed analysis with plexDIA increases throughput multiplicatively with the number of labels without reducing proteome coverage or quantitative accuracy. By using 3-plex nonisobaric mass tags, plexDIA enables quantifying 3-fold more protein ratios among nanogram-level samples. Using 1 hour active gradients and first-generation Q Exactive, plexDIA quantified about 8,000 proteins in each sample of labeled 3-plex sets. plexDIA also increases data completeness, reducing missing data over 2-fold across samples. We applied plexDIA to quantify proteome dynamics during the cell division cycle in cells isolated based on their DNA content; plexDIA detected many classical cell cycle proteins and discovered new ones. When applied to single human cells, plexDIA quantified about 1,000 proteins per cell and achieved 98 % data completeness within a plexDIA set while using about 5 min of active chromatography per cell. These results establish a general framework for increasing the throughput of sensitive and quantitative protein analysis.

In oxygen (O

Abstract Physiological processes, such as epithelial–mesenchymal transition (EMT), are mediated by changes in protein interactions. These changes may be better reflected in protein covariation within cellular cluster than in the temporal dynamics of cluster-average protein abundance. To explore this possibility, we quantified proteins in single human cells undergoing EMT. Covariation analysis of the data revealed that functionally coherent protein clusters dynamically changed their protein-protein correlations without concomitant changes in cluster-average protein abundance. These dynamics of protein-protein correlations were monotonic in time and delineated protein modules functioning in actin cytoskeleton organization, energy metabolism and protein transport. These protein modules are defined by protein covariation within the same time point and cluster and thus reflect biological regulation masked by the cluster-average protein dynamics. Thus, protein correlation dynamics across single cells offer a window into protein regulation during physiological transitions.

The physiological response of a cell to stimulation depends on its proteome configuration. Therefore, the abundance variation of regulatory proteins across unstimulated single cells can be associatively linked with their response to stimulation. Here we developed an approach that leverages this association across individual cells and nuclei to systematically identify potential regulators of biological processes, followed by targeted validation. Specifically, we applied this approach to identify regulators of nucleocytoplasmic protein transport in macrophages stimulated with lipopolysaccharide (LPS). To this end, we quantified the proteomes of 3,412 individual nuclei, sampling the dynamic response to LPS treatment, and linking functional variability to proteomic variability. Minutes after the stimulation, the protein transport in individual nuclei correlated strongly with the abundance of known protein transport regulators, thus revealing the impact of natural protein variability on functional cellular response. We found that simple biophysical constraints, such as the quantity of nuclear pores, partially explain the variability in LPS-induced nucleocytoplasmic transport. Among the many proteins newly identified to be associated with the response, we selected 16 for targeted validation by knockdown. The knockdown phenotypes confirmed the inferences derived from natural protein and functional variation of single nuclei, thus demonstrating the potential of (sub-)single-cell proteomics to infer functional regulation. We expect this approach to generalize to broad applications and enhance the functional interpretability of single-cell omics data.

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.

Oxygen tension plays a key role in tissue function and pathophysiology. Oxygen-controlled cell culture, in which the oxygen concentration in an incubators gas phase is controlled, is an indispensable tool to study the role of oxygen in vivo. For this technique, it is presumed that the incubator setpoint is equal to the oxygen tension that cells experience (i.e., pericellular oxygen). We discovered that physioxic (5 percent oxygen) and hypoxic (1 percent oxygen) setpoints regularly induce anoxic (0.0 percent oxygen) pericellular tensions in both adherent and suspension cell cultures. Electron transport chain inhibition ablates this effect, indicating that cellular oxygen consumption is the driving factor. RNA-seq revealed that primary human hepatocytes cultured in physioxia experience ischemia-reperfusion injury due to anoxic exposure followed by rapid reoxygenation. To better understand the relationship between incubator gas phase and pericellular oxygen tensions, we developed a reaction-diffusion model that predicts pericellular oxygen tension a priori. This model revealed that the effect of cellular oxygen consumption is greatest in smaller volume culture vessels (e.g., 96-well plate). By controlling pericellular oxygen tension in cell culture, we discovered that MCF7 cells have stronger glycolytic and glutamine metabolism responses in anoxia vs. hypoxia. MCF7 also expressed higher levels of HIF2A, CD73, NDUFA4L2, etc. and lower levels of HIF1A, CA9, VEGFA, etc. in response to hypoxia vs. anoxia. Proteomics revealed that 4T1 cells had an upregulated epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) response and downregulated reactive oxygen species (ROS) management, glycolysis, and fatty acid metabolism pathways in hypoxia vs. anoxia. Collectively, these results reveal that breast cancer cells respond non-monotonically to low oxygen, suggesting that anoxic cell culture is not suitable to model hypoxia. We demonstrate that controlling atmospheric oxygen tension in cell culture incubators is insufficient to control oxygen in cell culture and introduce the concept of pericellular oxygen-controlled cell culture.

Background Vaccine-associated paralytic poliomyelitis (VAPP) is a rare adverse event of oral poliovirus vaccines (OPV), particularly affecting immunodeficient individuals.