Technological advances to make single-cell and spatial proteomics biologically relevant

Thielert, Marvin (2024): Technological advances to make 
single-cell and spatial proteomics biologically relevant. Dissertation, LMU München: Fakultät für Chemie und Pharmazie

Abstract

The cell, as the smallest foundational unit of life, plays an important role in our understanding of biology. It is the basis for studying molecular mechanisms and function of our holistic organism in health and disease. This also enables the unravelling of disease origins and devising potential novel treatment strategies. To study single cells, a broad portfolio of technologies and methods have been developed over the years. Mass spectrometry-based proteomics is one of the most recent ones, and it stands out as an unbiased technique enabling a global analysis of proteins – the cell’s principal functional drivers – at the single-cell level. Despite its obvious attractions, limitations in sensitivity have hampered single-cell proteomics until recently. In a larger perspective, the human body is an intricate spatial arrangement of these functional cellular units, and these functions are tied to the surrounding context. Spatial proteomics offers vast potential to disentangle this complex cellular machinery within its native environment. Although we are only at the beginning of single-cell and spatial proteomics, a multitude of biological questions can already be addressed from this new experimental angle. This PhD thesis brings together my efforts in advancing single-cell and spatial proteomics technologies and leverages them to address pertinent biological questions. To this end, I first contributed to the development of novel scan modes for acquisition of proteomic data by mass spectrometry. I highlight our advances in single-cell proteomics to enable label-free analysis and also to increase proteomic depth and throughput by multiplexed-data independent acquisition. The thesis then transitions from the isolated single cell to complex spatial arrangements. Here, I directed my efforts to improve and streamline the workflow and to enhance spatial proteomics to accommodate single-cell and three-dimensional analysis. With these technologies in hand, I contributed to the investigations in ovarian cancer of serous borderline tumors, and in a separate project to the discovery of a novel therapy for drug-induced skin reaction diseases. Finally, I contributed principles of ultra-high single-cell proteomics to immunopeptidomics to characterize peptides bound by circulating MHC receptors. Together, this thesis presents technological advances in single-cell and spatial proteomics and their application in clinically and biologically relevant contexts, demonstrating the power of these tools on their own or in combination. In a future perspective, this work boosts system-wide biological and clinical studies for understanding the functional mechanisms in health and disease, and helps to pave the way towards precision medicine.

Abstract

Die Zelle, als kleinste grundlegendste Einheit des Lebens, ist essentiell für unser Verständnis von Biologie. Sie bildet die Basis für das Erforschen molekularer Mechanismen und Funktionen unseres gesamtheitlichen Organismus im Kontext von Gesundheit und Krankheit. Ein tiefgründiges Wissen ermöglicht nicht nur das Verständnis grundlegender biologischer Mechanismen, sondern eröffnet auch Perspektiven zur Aufdeckung von Krankheitsursachen und potenziellen neuen Behandlungsstrategien. Zur Analyse einzelner Zellen wurden viele verschiedene Techniken entwickelt. Die Massenspektrometrie-basierte Proteomik ist eine der neuesten und ermöglicht als unvoreingenommene Methode die globale Analyse von Proteinen – den hauptsächlichen funktionalen Treibern der Zelle – auf Einzelzellenebene. Trotz der naheliegenden Vorzüge war die Einzelzell-Proteomik aufgrund ihrer begrenzten Sensitivität bis vor kurzem in ihrer Anwendung limitiert. Betrachtet im Gesamtbild ist der menschliche Körper eine komplexe räumliche Anordnung dieser funktionalen zellulären Einheiten, dessen Funktion von der Umgebung beeinflusst ist. Räumliche Proteomik bietet enormes Potenzial, diese komplexe zelluläre Maschinerie in ihrer natürlichen Umgebung aufzulösen. Obwohl wir erst am Anfang der Einzelzell- und räumlicher Proteomik stehen, können bereits mehrere biologischen Fragen aus dieser neuen experimentellen Perspektive beantwortet werden. Diese Doktorarbeit umfasst die technische Entwicklung von Einzelzell- und räumlicher Proteomik und nutzt diese, um wichtige biologische Fragen zu beantworten. Zunächst habe ich zur Entwicklung neuer Scan Modi für die Datenaufnahme in der Proteomik mittels Massenspektrometrie beigetragen. Danach führe ich unsere Fortschritte auf dem Gebiet der Einzelzell-Proteomik auf, die die Label-freie Analyse sowie die Steigerung der Proteintiefe und des Durchsatzes ermöglichen. Danach erweitere ich den Fokus von der isolierten Einzelzelle zur komplexen räumlichen Anordnung der Zellen. Hier habe ich mich darauf konzentriert, die Probenvorbereitung zu optimieren und die räumliche Proteomik auf Einzelzell- und dreidimensionale Analysen zu erweitern. Mit diesen Entwicklungen trug ich wesentlich zu den Untersuchungen zu Eierstockkrebs bei, sowie zur Entdeckung einer neuen Therapie für medikamenteninduzierte Hautreaktionen. Zuletzt wirkte ich mit die Prinzipen der Einzelzell-Proteomik auf die Immunopeptidomik zu übertragen, um die gebunden Peptide auf zirkulierenden MHC-Rezeptoren zu charakterisieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die technologischen Fortschritte in der Einzelzell-Proteomik und räumlichen Proteomik und ihre Anwendung in klinisch und biologisch relevanten Bereichen vor. Diese zeigen das Potential sowohl einzeln als auch in Kombination. Aus zukünftiger Perspektive fördert diese Arbeit das Potenzial weiterer Entwicklungen, um systemweite biologische und klinische Studien zur Erforschung der funktionalen Mechanismen in Gesundheit und Krankheit zu ermöglichen, und ebnet den Weg zur personalisierten Medizin.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: single cell, spatial proteomics, mass spectrometry, method development, sensitivity
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
• Fakultäten: Fakultät für Chemie und Pharmazie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. April 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Mann, Matthias