单细胞代谢组可揭示细胞间的异质性表型，有助于对细胞衰老、分化等重要生理过程的精细解读。与其他代谢物相比，硫醇类代谢物的代谢失调通常会导致氧化应激和其他代谢功能障碍，与肿瘤发生发展、神经退行性病变等病理过程密切相关。然而，硫醇类代谢物极易在样品处理过程中发生氧化，部分硫醇类代谢物含量较少，单个细胞体积极低，现有测量方法无法实现其准确的定性定量分析。白玉课题组基于活细胞化学标记策略设计靶向硫醇的探针，结合液相色谱-质谱法和有机质谱流式分析平台，首次实现了体量细胞和单细胞水平的高灵敏、深覆盖硫醇亚代谢组分析，并探究了铁死亡过程中硫醇代谢的异质性（图1）。研究成果以“Single-cell thiol profiling enabled by live-cell labeling reveals metabolic heterogeneity in ferroptosis”为题，于2026年3月3日发表在《自然-通讯》（Nature Communication）期刊上（Nat. Commun. 2026, 17, 3378）。

图1. 单细胞硫醇亚代谢组分析工作流程图

针对硫醇易氧化、含量低等特点，设计了巯基靶向质谱探针，通过在活细胞内快速标记硫醇避免其氧化，并利用质谱增敏基团提高硫醇的信号响应。基于硫醇-色烯点击化学，色烯并环戊酮-二甲胺质谱探针可在10 min内完成胞内硫醇的饱和标记，在保证细胞正常生命活动前提下，实现了活细胞内硫醇的18.6–40.2倍信号增敏。结合超高效液相色谱-串联质谱法（UPLC-MS/MS），成功从体量的HeLa细胞和NE-4C细胞中鉴定到69种硫醇物种。与现有其他方法相比，覆盖率提高5-69倍，首次同时检测到谷胱甘肽、辅酶A、牛磺酸、半胱氨酸-甲硫氨酸代谢通路中所有硫醇（图2）。相较于传统的细胞裂解液中标记或还原后标记方法，方法不仅从根源上避免细胞裂解过程中硫醇的氧化，而且能够区分游离硫醇与二硫化物，使测定结果更加准确地反应硫醇类代谢物的内源水平。活细胞标记策略可有效扩大硫醇亚代谢组的覆盖范围，为其他活性代谢物的单细胞分析以及亚代谢组分析提供了新思路。

图2 活细胞巯基标记策略及其评价

在此基础上，将活细胞巯基化学标记与有机质谱流式分析平台结合，构建了单细胞中硫醇亚代谢组分析新方法，首次实现了单个HeLa细胞中27种硫醇与355种代谢物的同时分析。利用该方法，单细胞水平下硫醇覆盖度提升27倍，谷胱甘肽质谱响应提升45倍（图3）。该方法精准监测了GSH通路中各硫醇含量的波动，绘制了硫醇亚代谢组代谢网络图谱，在组学水平描述了不同酶抑制剂对细胞代谢的整体影响，验证了方法在代谢通路、代谢网络、代谢组三个层次的实用性与可拓展性。

图3. 基于活细胞标记的单细胞硫醇亚代谢组分析

基于该方法的铁死亡研究揭示了HeLa细胞在RSL3诱导铁死亡过程中存在显著的谷胱甘肽代谢异质现象，提出了RSL3诱导NRF2差异表达并导致下游代谢异质的潜在机制并进行了相关验证（图4）。该研究推动了铁死亡机制的深入理解，有望助力基于铁死亡的肿瘤精准治疗的新策略与新疗法开发。

图4 RSL3诱导的铁死亡过程中的GSH代谢异质性研究

北京大学化学与分子工程学院白玉教授是该论文的通讯作者，北京大学化学与分子工程学院博士研究生缪代禹是该论文的第一作者。北京大学医学部基础医学院王颖博士和刘小云研究员为文章工作做出了贡献。该研究成果得到国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心等机构和项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70336-z

排版：高杨
审核：牛林，刘志博